Тема 4. ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ
реклама
Балашовский филиал Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского М. А. Занина ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ Учебно-методическое пособие для студентов заочного отделения факультета экологии и биологии Балашов 2005 УДК 58 ББК 28.57 З27 Рецензенты: Доктор биологических наук, профессор Брянского государственного университета В. Б. Любимов; Кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Балашовского филиала Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского Е. Б. Смирнова; Кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Балашовского филиала Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского М. Ю. Сергадеева. . Рекомендовано к изданию Учебно-методическим советом Балашовского филиала Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского. З27 Занина, М. А. Физиология растений : учебно-метод. пособие для студентов заочного отделения факультета экологии и биологии / М. А. Занина. — Балашов : Изд-во «Николаев», 2005. — 64 с. ISBN 5-94035-225-1 Учебно-методическое пособие предназначено для студентов заочного отделения факультета экологии и биологии. Данное пособие включает в себя краткое теоретическое изложение основных программных разделов по физиологии растений, лабораторные работы по каждому разделу и контрольные вопросы. Пособие может быть полезным и для учителей школ при демонстрации опытов на уроках и факультативных занятиях, а также в кружковой работе по биологии. УДК 58 ББК 28.57 © Занина М. А., 2005 ISBN 5-94035-222-1 2 Оглавление Введение ............................................................................................................... 5 РАЗДЕЛ 1 Тема 1. ОСНОВЫ ФИЗИОЛОГИИ КЛЕТКИ 1.1. Поступление веществ в клетку ................................................................ 7 1.2. Обмен веществ и энергии в клетке ....................................................... 11 Тема 2. ВОДНЫЙ РЕЖИМ РАСТЕНИЙ 2.1. Общая характеристика водного обмена растительного организма ... 12 2.2. Поступление воды в растение ............................................................... 13 2.3. Передвижение воды по растению ......................................................... 14 2.4. Транспирация воды листьями ............................................................... 14 Тема 3. ФОТОСИНТЕЗ 3.1. Общее уравнение фотосинтеза .............................................................. 17 3.2. Пигменты пластид .................................................................................. 17 3.3. Световая и темновая фазы фотосинтеза ............................................... 20 3.4. Экология фотосинтеза ............................................................................ 21 Тема 4. ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ 4.1. Превращение веществ в растении и дыхание ...................................... 25 4.2. Факторы, влияющие на процесс дыхания ............................................ 26 4.3. Аэробное и анаэробное дыхание ........................................................... 27 4.4. Брожение ................................................................................................. 28 4.5. Дыхание и брожение в современном изложении ................................. 29 Тема 5. МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ ....................................... 32 5.1. Химический состав растений ................................................................ 32 5.2. Роль азота в почвенном питании растений .......................................... 33 5.3. Роль зольных макроэлементов в минеральном питании растений ......................................................................................................... 36 5.4. Роль микроэлементов в минеральном питании растений .................. 38 Тема 6. РОСТ, РАЗВИТИЕ И ДВИЖЕНИЯ РАСТЕНИЙ 6.1. Общие понятия о росте и развитии растений ...................................... 39 6.2. Регуляторы роста .................................................................................... 40 6.3. Ингибиторы роста .................................................................................. 41 6.4. Влияние внешних условий на рост ....................................................... 42 6.5. Периодичность роста растений ............................................................. 43 6.6. Движения растений ................................................................................ 44 РАЗДЕЛ 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ ...................................................... 46 Лабораторная работа № 1. Сравнение проницаемости мембран живых и мертвых клеток .......................................................................... 46 Лабораторная работа № 2. Тургор, плазмолиз и деплазмолиз .............. 47 Лабораторная работа № 3. Определение транспирации весовым методом ...................................................................................................... 48 Лабораторная работа № 4. Наблюдение за движением устьиц ............. 48 3 Лабораторная работа № 5. Продукты фотосинтеза ................................ 49 Лабораторная работа № 6. Получение из листьев спиртовой вытяжки пигментов и их разделение ...................................................... 50 Лабораторная работа № 7. Обнаружение дыхания растений ................. 51 Лабораторная работа № 8. Определение интенсивности дыхания в чашках Конвея ........................................................................................... 52 Лабораторная работа № 9. Значение различных элементов для растений...................................................................................................... 53 Лабораторная работа № 10. Зона роста корня ......................................... 54 Лабораторная работа № 11. Влияние температуры и света на скорость роста растений............................................................................ 55 Лабораторная работа № 12. Взаимовлияние культурных и сорных растений .......................................................................................................... 56 Список основной литературы ............................................................................ 58 Список дополнительной литературы ................................................................ 58 ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................................. 60 4 Введение Физиология растений — наука о функциональной активности растительных организмов. Как отмечали Ж. Б. Буссенго и К. А. Тимирязев, знание основных закономерностей жизнедеятельности растений делает физиологию растений теоретической основой рационального земледелия. Изучение физиологии растений имеет большое значение для учителя средней школы, так как знания о жизни растений помогают на должном уровне проводить работу на учебно-опытном участке. Только изучив жизнь растения, можно понять его космическую роль, оценить процесс фотосинтеза как продуцента органического вещества на планете, роль гормонов роста и физиологически активных веществ, взаимодействие растений и ряд других аспектов. Изучив основные закономерности жизни растений в теоретическом курсе, на практических занятиях будущий учитель овладеет методикой постановки опытов, что ему крайне необходимо при проведении курса ботаники в средней школе. Данное пособие «Физиология растений» предназначено для студентов специальности 050102 «Биология» заочного отделения факультета экологии и биологии. Оно содержит историю формирования отдельных представлений, описание классических экспериментов и простейших опытов, которые помогут наглядно продемонстрировать основные природные закономерности. В ходе изучения курса студенты должны: знать о физиологических особенностях растительного организма; владеть системой знаний о закономерностях роста и развития растительных организмов, уметь применять эти знания; 5 владеть основными методами исследования биологических наук. Пособие включает в себя краткое теоретическое изложение основных программных разделов по физиологии растений, вопросы для самоконтроля, лабораторные работы по каждой теме, задания на полевую практику и вопросы для экзамена. Теоретический курс представлен темами: «Физиология растительной клетки», «Водный режим растений», «Фотосинтез», «Дыхание растений», «Минеральное питание растений», «Рост и развитие растений». Коротко рассматриваются основные положения, которыми определяется специфические особенности зеленых растений, отличающие их от других форм живых существ. Лабораторные занятия по физиологии растений служат для закрепления и расширения знаний студентов по теоретическому курсу. Мы сохранили работы, ставшие классическими. Наряду с этим пособие включает работы, апробированные на кафедре биологии и экологии БФСГУ. Для каждой работы приведены список материалов и оборудования, описание ее хода, указания по оформлению результатов. Приобретенные на занятиях навыки экспериментальной деятельности могут быть использованы также учителями средней школы для постановки опытов на уроках ботаники и общей биологии. В приложении представлены задания на полевую практику, варианты итоговой контрольной работы и вопросы для экзамена по физиологии растений. 6 РАЗДЕЛ 1 Тема 1. ОСНОВЫ ФИЗИОЛОГИИ КЛЕТКИ Жизнедеятельность клетки осуществляется в процессе непрерывно протекающих химических реакций, совокупность которых составляет обмен веществ. 1.1. Поступление веществ в клетку Для осуществления обмена веществ необходимо непрерывное передвижение их внутри клетки и между клеткой и окружающей средой. Передвижение веществ связано с преодолением мембран, ограничивающих клетку и клеточные органоиды. Изучение механизмов этого передвижения и составляет проблему клеточной проницаемости. Проницаемость клетки Проникновение веществ в клетку осуществляется через клеточную стенку и мембраны цитоплазмы. При этом внутрь клетки проникают лишь некоторые соединения в определенных соотношениях. Значит, клетка не является непроницаемой структурой, но не является и совершенно проницаемой. Клетка обладает избирательной проницаемостью — свойством пропускать одни вещества и задерживать другие. Через клеточную стенку к плазмалемме легко проходят все растворимые вещества. Они движутся через поровые каналы и по так называемому «свободному пространству», доступному для диффузии ионов и молекул. Клеточная стенка адсорбирует вещества и концентрирует их на своей поверхности, создавая запас ионов для клетки. Свойством же избирательности клетка обязана цитоплазме, которая пропускает через себя и воду, и растворимые вещества, но с разной скоростью. Ряд веществ она совсем не пропускает. Следовательно, цитоплазме обладает избирательной проницаемостью и связана главным образом с ее пограничными мембранами — плазмалеммой и тонопластом. Избирательная проницаемость является одним из специфических свойств живой материи, возникшим и закрепившимся в процессе эволюции. Пути поглощения и выделения веществ в клетке также различны для разных веществ. Возможно пассивное поступление, которое осуществляется благодаря диффузии и осмосу, и активное, 7 происходящее с затратами энергии в результате деятельности ферментных систем переноса или пиноцитоза. Пассивное поступление веществ Частицы всех веществ обладают кинетической энергией и находятся в состоянии непрерывного движения. Скорость движения различна: наиболее подвижны молекулы газов, наименее — молекулы твердых тел, способные лишь к колебаниям около какой-то точки. В жидкости молекулы перемещаются относительно свободно. В однородном растворе столкновение молекул в процессе их хаотичного движения происходит повсюду в среднем одинаково часто, так что распределение их остается равномерным. Если же концентрация раствора различна, то удары происходят неравномерно с разных сторон, и молекулы будут двигаться туда, где свободнее, т. е. в область меньшей их концентрации, пока они не распространятся равномерно по всему доступному пространству. Это явление называется диффузией. Скорость диффузии обратно пропорциональна размерам и массе молекул. Диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану называется осмосом. В растительных тканях существует следующая осмотическая система: клеточный сок одной клетки — двойной слой цитоплазмы — клеточный сок другой клетки. Некоторые клетки растения находятся в непосредственном контакте с водой или водными растворами. Клеточный сок содержит растворенные вещества и является осмотически деятельным раствором. Если клеточный сок имеет более высокую концентрацию, чем окружающий раствор, то благодаря более высокому осмотическому давлению сока вода будет проникать в клетку. Увеличиваясь при этом в объеме, вакуоль будет давить на цитоплазму, прижимая ее к клеточной стенке и создавая давление. Клеточная стенка в силу своей упругости будет оказывать обратное давление на протопласт. Это противодавление клеточных стенок называется тургорным натяжением. По мере поступления воды в клетку оно возрастает. Когда будет достигнут предел растяжимости клеточной стенки, всасывание воды прекратится. Концентрация клеточного сока оказывается при этом наименьшей, тургорное натяжение максимальным, клетка имеет наибольший возможный объем. Состояние напряжения такой клетки называется тургором. Тургор является нормальным физиологическим состоянием растительной клетки. Благодаря тургору растение сохраняет свою 8 форму, занимает определенное положение в пространстве, противостоит механическим воздействиям. Если клетку в состоянии туpгopа поместить в раствор, осмотическое давление которого выше, чем осмотическое давление клеточного сока, то вода устремится в сторону более концентрированного раствора и будет выходить из клетки. Сокращение объема вакуоли приведет к падению давления ее на цитоплазму, а цитоплазмы — на клеточные стенки. Они в силу своей эластичности станут менее растянутыми, и объем клетки уменьшится. Если объем клетки достигнет минимума, а уменьшение объема цитоплазмы будет продолжаться, то, сжимаясь, она начнет отставать от стенок и постепенно соберется в центре клетки. Наступает плазмолиз — состояние, обратное тургору. Если плазмолизированную клетку поместить в чистую воду, то тургор восстановится, произойдет деплазмолиз. Длительный и сильный плазмолиз может вызвать гибель клетки; при частичном плазмолизе растение вянет. Поступление воды в клетку, хотя и происходит на основе осмоса, лимитировано присутствием ограниченно растяжимой клеточной стенки. Вследствие этого клетка поглощает воду с силой, равной разности между осмотическим давлением клеточного сока Р и противодействием клеточной стенки, равным тургорному давлению Т; это и есть сосущая сила клетки S: S = Р – Т. Когда осмотическое давление станет равным тургорному (Р = Т), сосущая сила будет равна 0 (S = 0) и вода перестанет поступать в клетку. Рассмотрим, какие вещества проникают в клетку путем диффузии и как. Вода и малые полярные молекулы таких веществ, как метанол и другие, проникают в клетку через поры в мембраны, заполненные водой. Площадь их составляет лишь сотые доли процента поверхности клетки. Вещества, растворимые в жирах, тоже легко диффундируют в клетку через мембрану, основу которой составляют липиды. Чем лучше вещества растворяются в жироподобных средах, тем они быстрее проникают в клетку (правило Овертона, 1895). Скорость проникновения вещества возрастает с удлинением углеводородной цепи и увеличением числа гидрофобных групп в молекуле (углеводы, жирные кислоты и др.). Ионы минеральных веществ обладают невысокой проникающей способностью. Как правило, катионы проникают в клетку легче, чем анионы. Движение их происходит под влиянием разности потенциалов, которая создается, когда по одну сторону мембраны содержатся 9 преимущественно отрицательные, а по другую — положительные ионы. Предполагается, что эти вещества, нерастворимые в жирах, проходят сквозь мембрану через своеобразные поры, заполненные белковыми молекулами, несущими электрический заряд. Разницу в скорости пассивной диффузии анионов и катионов можно объяснить, исходя из электрического заряда поры. Если заряд поры отрицателен, то это уменьшит ее эффективный диаметр для анионов и в то же время никак не будет влиять на диффузию катионов. Итак, мембрана клетки для неполярных молекул служит растворителем, для полярных — молекулярным ситом. Пассивная диффузия осуществляется по градиенту концентрации (от большей концентрации к меньшей); основой ее является перемещение веществ за счет разности концентраций в клетке и вне ее. Пассивный перенос веществ не требует затраты энергии со стороны живой клетки. Активное поступление Активное поступление (перенос) — это поступление веществ через клеточную мембрану, сопровождающееся затратой энергии. Оно наблюдается при поступлении в клетку веществ против градиента концентрации, когда в клетку проникают вещества, концентрация которых в среде ниже, чем внутри клетки. Например, растительные клетки поглощают калий в сотни и даже в тысячи раз больше, чем в окружающей среде. Корневые волоски поглощают против градиента концентрации не только калий, но и кальций, магний и другие вещества. Установлен активный перенос сахаров, белков, витаминов. В выделениях корней обнаружено наличие различных органических соединений со сложной структурой и большой величиной молекул. Все это свидетельствует о том, что проницаемость есть одно из проявлений активной жизнедеятельности цитоплазмы. Механизм активного переноса очень сложен и до конца еще не установлен. Активный перенос всегда происходит с затратой энергии. Непосредственное участие в нем принимает наружная цитоплазматическая мембрана. Система переносчика. Первым шагом к поступлению в клетку веществ является их адсорбция, под которой понимают поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твердого тела. Явление адсорбции связано с особыми свойствами поверхностного слоя вещества. Благодаря сильному внутреннему притяжению поверхностный слой 10 притягивает молекулы оказавшихся вблизи него веществ и адсорбирует их. Адсорбированные молекулы находятся в движении и могут покидать поверхностный слой. Скорость адсорбции зависит от температуры, давления и свойств веществ. Последующее движение веществ в цитоплазматической мембране может быть объяснено с помощью следующей схемы. Ионы или молекулы веществ, адсорбированных на наружной стороне мембраны, соединяются с веществами-переносчиками, находящимися в ней. Затем происходит перемещение образовавшегося комплекса — проникающее вещество + переносчик — через мембрану и освобождение проникающего вещества на внутренней поверхности мембраны. Переносчик возвращается к наружной стороне мембраны. Роль переносчиков выполняют соединения, обладающие повышенным запасом свободной энергии. На их образование и расходуется энергия активного переноса. Само же проникновение комплекса вещество + переносчик через мембрану, видимо, не требует затрат энергий. Для растительных клеток установлен пиноцитоз (буквально означает «питье клетки»), давно известный для животных клеток. Пиноцитоз — это своего рода заглатывание. В участках мембраны, где адсорбировалось поглощаемое вещество, образуется впячивание, с помощью которого вещество втягивается внутрь. Затем образовавшееся впячивание отшнуровывается, и пиноцитозный пузырек с заключенным в нем веществом перемещается в глубь цитоплазмы. После того как вещество проникнет через окружающую его мембрану или сама мембрана растворится, оно включается в обмен веществ клетки. 1.2. Обмен веществ и энергии в клетке Для реакций обмена веществ характерны организованность и упорядоченность. Морфологическому расчленению клетки соответствует строгая физиологическая специализация всех ее структур. В митохондриях действует система дыхания и фосфорилирования, в рибосомах идет синтез белка. Биологические реакции проходят с помощью многочисленных ферментов. Ферменты в большинстве случаев располагаются мономолеку-лярными слоями на мембранах и гранулах. В сложном многообразии реакций обмена веществ выделяются два противоположных по характеру потока: биосинтез и расщепление. 11 В процессе биосинтеза из простых веществ образуются сложные, из низкомолекулярных — высокомолекулярные. Происходит синтез белков, углеводов, жиров, нуклеиновых кислот. Реакции идут с поглощением энергии. Совокупность биосинтетических реакций — ассимиляция, или пластический обмен. В реакциях расщепления сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные — на низкомолекулярные. Крахмал превращается в глюкозу, затем СО2 и Н2О, белки — в смесь аминокислот, нуклеиновые кислоты — в смесь нуклеотидов. Реакции расщепления сопровождаются освобождением энергии. Совокупность реакций расщепления — диссимиляция, или энергетический обмен. Диссимиляция — переход веществ, энергетически более богатых, в вещества, бедные энергией. Ассимиляция и диссимиляция находятся в неразрывной связи. Реакции биосинтеза для своего осуществления нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. В ходе диссимиляции возникают продукты, используемые как исходные для ассимиляции. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое избирательная проницаемость? 2. В чем различие между активным и пассивным поступлением веществ в клетку? 3. Что такое осмос, осмотическое давление? 4. Каковы физиологический механизм, лежащий в основе тургорного натяжения, и роль тургора в жизни растения? 5. Что такое сосущая сила? 6. Каким путем осуществляется взаимосвязь энергетического и пластического обмена? Рекомендуемая литература: 3, 4, 6, 11, 12, 13. Тема 2. ВОДНЫЙ РЕЖИМ РАСТЕНИЙ 2.1. Общая характеристика водного обмена растительного организма Вода является основной составной частью растительных организмов. Ее содержание доходит до 90 % от массы организма, и она участвует прямо или косвенно во всех жизненных проявлениях. Вода — это та среда, в которой протекают все процессы обмена веществ. Она составляет основную часть цитоплазмы, поддерживает ее структуру, 12 устойчивость входящих в состав цитоплазмы коллоидов, обеспечивает определенную конформацию молекул белка. Высокое содержание воды придает содержимому клетки (цитоплазме) подвижный характер. Вода — непосредственный участник многих химических реакций. Все реакции гидролиза, многочисленные окислительно-восстановительные реакции идут с ее участием. Водный ток обеспечивает связь между отдельными органами растений. Питательные вещества передвигаются по растению в растворенном виде. Насыщенность водой (тургор) обеспечивает прочность тканей, сохранение структуры травянистых растений, определенную ориентировку органов растений в пространстве. Рост клеток в фазе растяжения идет главным образом за счет накопления воды в вакуоли. Таким образом, вода обеспечивает протекание процессов обмена, коррелятивные взаимодействия, связь организма со средой. Для нормальной жизнедеятельности клетка должна быть насыщена водой. 2.2. Поступление воды в растение Растение получает воду из почвы. Вода в растении находится как в свободном, так и связанном состоянии. Свободная вода легко передвигается, вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации и замерзает при низких температурах. Связанная вода имеет измененные физические свойства вследствие взаимодействия с неводными компонентами. Эти взаимодействия представляют собой процессы гидратации, вследствие чего связанную воду называют гидратной водой. Различают два основных процесса гидратации: 1) притяжение диполей воды к заряженным частицам; 2) образование водородных связей с полярными группами органических веществ — между водородом воды и атомами О и N. Воду, гидратирующую коллоидные частицы (прежде всего белки), называют коллоидно-связанной, а гидратирующую растворенные вещества (минеральные соли, сахара, органические кислоты и др.) — осмотически связанной. Использование воды растением зависит также от структуры почвы. Мелкокомковатая структура с хорошим воздушно-водным режимом является наилучшей. В ней хорошо растут корневые волоски, через которые вода поступает в растение. Чтобы проникнуть внутрь клетки корневого волоска, вода должна пройти через его стенку. 13 2.3. Передвижение воды по растению Поглощение воды корневой системой происходит главным образом клетками зоны растяжения и зоны корневых волосков. Из корневого волоска вода передвигается по клеткам первичной коры в центральный цилиндр. В сосуды вода поступает под определенным давлением, которое можно обнаружить благодаря следующему опыту. Если весной, когда листья еще не появились, срезать стебель, надеть на него резиновую трубку с вставленной в нее стеклянной трубочкой, то через некоторое время в ней появится жидкость. Ее нагнетают корни. С помощью манометра можно определить величину давления, под которым жидкость входит в сосуды. Это выделение воды благодаря корневому давлению называется плачем растения. Его легко обнаружить весной у винограда и березы, если сломить веточку. Выделяющийся сок называется пасокой. В нем содержится сахар (1,5—3 %), органические кислоты, азотистые и зольные вещества. Выделение капель воды листьями под влиянием корневого давления можно наблюдать в теплую влажную погоду у земляники, манжетки, настурции и некоторых других растений. На зубчиках листьев образуются капли воды, которая выделяется через гидатоды (водные устьица). Это явление называется гуттацией. Если поставить под стеклянный колпак проростки злаков, хорошо полив их, то вскоре можно будет видеть на кончиках листьев капли воды, выделяющиеся под влиянием корневого давления. Итак, корневое давление является нижним двигателем водного тока в растении. Величина его небольшая (23 атмосферы). У деревьев корневое давление можно обнаружить лишь весной, когда в почве много воды, а листья еще не образовались. 2.4. Транспирация воды листьями Со всякой водной поверхности происходит испарение — переход воды из жидкого состояния в парообразное. Это физическое явление. Листья растения пропитаны водой. С их поверхности (особенно через устьица) вода постоянно испаряется, но это будет явление биологическое, связанное с растительным организмом, его особенностями. Оно называется транспирацией. Благодаря транспирации в поверхностных клетках листа возникает сосущая сила (равная примерно 0,1 атм), которая потянет воду из рядом расположенных клеток, и так далее, вплоть до сосудов. Таким образом, в растении создается верхний двигатель тока 14 воды. У деревьев сосущая сила листьев достигает 20 атм, у травянистых растений 2—3 атм. Эта сосущая сила заставляет воду из корней подниматься по ксилеме, в основном по сосудам — полым трубкам. Столбики воды в сосудах не разрываются благодаря силе сцепления частиц воды между собой и со стенками сосудов. Эта сила может достичь 300 атм. Таким образом, движение воды из почвы по растению обусловливается тремя силами: корневым давлением, сосущей силой листьев и силой сцепления частиц воды. Транспирация происходит и летом, и зимой; опадение листьев осенью — это приспособительная особенность растений для уменьшения транспирации, так как зимой подача воды корнями из замерзшей почвы сильно затруднена. Ветер усиливает транспирацию. Различают устьичную и кутикулярную транспирацию. Первая раз в 20 интенсивнее, чем вторая. Процесс устьичной транспирации можно подразделить на следующие этапы: 1) Переход воды из клеточных оболочек, где она находится в капельно-жидком состоянии, в межклетники. Это собственно процесс испарения. На этом этапе растение способно регулировать процесс транспирации (внеустьичная транспирация). Вода испаряется из капилляров. Когда воды в клетках достаточно, клеточные оболочки насыщены водой, силы поверхностного натяжения ослаблены. В этом случае молекулы воды легко отрываются и переходят в парообразное состояние, заполняя межклетники. При уменьшении содержания воды увеличиваются силы поверхностного натяжения, и вода с большей силой удержи-вается в клеточных оболочках. В результате интенсивность испарения сокращается. Таким образом, уже на первом этапе растение испаряет тем меньше воды, чем меньше ее содержится. 2) Выход паров воды из межклетников через устьичные щели. Как только часть паров воды выйдет из межклетников через устьичные щели, так сейчас же этот недостаток восполняется за счет испарения воды с поверхности клеток. Поэтому степень открытости устьиц является основным механизмом, регулирующим интенсивность транспирации. На этом этапе вступает в действие устьичная регулировка транспирации. При недостатке воды в листе устьица автоматически закрываются. 3) Диффузия паров воды от поверхности листа в более далекие слои атмосферы. Этот этап регулируется лишь условиями внешней среды. 15 Известно, что одно растение кукурузы за вегетационный период испаряет 150 кг воды, подсолнечника — 200 кг, гороха — 4 кг. Один гектар поля теряет за вегетационный период примерно 2000—2500 т воды. Транспирация необходима растению, так как благодаря ей в растение поступают нужные ему минеральные вещества и не происходит перегрева листьев. Количество воды, испаряемое с 1 м2 листовой поверхности за 1 ч, называется интенсивностью транспирации. Очень небольшое количество воды, проходящей по растению, используется на образование органического вещества. Оно составляет всего 0,2 %, а 99,8 % испаряется. Количество воды, необходимое растению для создания 1 г сухого вещества, называется транспирационным коэффициентом. Его величина колеблется от 300 до 1000 г. У кукурузы он равен 233, у гороха — 416, гречихи — 578, картофеля — 636. Транспирационный коэффициент может меняться в зависимости от внешних условий: влажности воздуха, температуры, влажности почвы, света, ветра. Другой единицей сравнения растений в этом отношении будет продуктивность транспирации — количество граммов сухого вещества, образующегося при испарении 1 л (1000 г) воды. Чаще всего она равна 3—5 г. Относительная транспирация — отношение воды, испаряемой листом, к воде, испаряемой со свободной водной поверхности той же площади за один и тот же промежуток времени. Экономность транспирации — количество испаряемой воды (в мг) на единицу (1 кг) воды, содержащейся в растении. Вопросы для самоконтроля 1. Какие вещества поступают в растение с восходящим током? Каковы причины восходящего тока? 2. Как происходит движение органических веществ по растению? 3. Что такое транспирация, от чего она зависит? 4. Что называют транспирационным коэффициентом? Чему он примерно равен? 5. Чем обусловливается транспирация? 6. Какие опыты доказывают существование корневого давления? 7. Какой опыт показывает сосущее действие листьев? 8. Что происходит при кольцевом надрезе веточки дерева? 16 Рекомендуемая литература: 3, 4, 6, 11, 12, 13. Тема 3. ФОТОСИНТЕЗ 3.1. Общее уравнение фотосинтеза Фотосинтез — это процесс трансформации поглощенной организмом энергии света в химическую энергию органических соединений. Главную роль в этом процессе играет использование энергии света для восстановления СО2 до уровня углеводов. Однако в процессе фотосинтеза могут восстанавливаться сульфат или нитрат, образовываться Н2; энергия света расходуется также на транспорт веществ через мембраны и на другие процессы. Поэтому часто говорят о фототрофной функции фотосинтеза, понимая под этим использование энергии света в различных реакциях в живом организме. Фотосинтез осуществляют высшие растения, водоросли и некоторые бактерии. Он играет определяющую роль в энергетике биосферы. Фотосинтез описывают следующими уравнениями: 4Н2О 4ОН- - 4е- +4Н+ 2Н2О + О2 + 4Н+ 2НАДФ + 4е- + 2Н+ 2НАДФН 2Н+ + 2НАДФН + СО22НАДФ +Н2О+СН2О СО2+Н2О → СН2О + О2. 3.2. Пигменты пластид Фотосинтез осуществляется в тех частях растения, где имеются зеленые тельца — хлоропласты. Так как хлоропластов больше всего в листьях, то лист является основным органом ассимиляции углерода. У надземных растений углекислый газ поступает через устьица, у водных — вместе с водой, в которой он растворен. Хотя устьичные щели составляют примерно 1% площади листа, углекислоты в лист поступает достаточное количество. В мезофилле листа СО2 передвигается по межклетникам и поступает в клетки палисадной и губчатой паренхимы через стенки, вместе с водой. Дальнейшая судьба СО2 связана с хлоропластами. Именно в них ходит фотосинтез. Снаружи хлоропласты имеют двойную белковолипоидную оболочку, внутри — зернистую строму, в которой наблюдаются пластинчатые двойные мембраны — ламеллы, состоящие из молекул белка и сложных эфиров и содержащие фосфор и пигменты. Длинные ламеллы тянутся вдоль всей пластиды. Короткие ламеллы собраны стопками (вроде столбиков монет). Их называют гранами. В 17 ламеллах происходит преобразование световой энергии в химическую, протекают различные биохимические реакции. При благоприятных условиях в пластидах образуется хлорофилл. Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобиллинам и каротиноидам. У высших растений и у водорослей обнаружены хлорофиллы a, b, c, d. Все фотосинтезирующие растения, включая все группы водорослей, а также цианобактерии содержат хлорофиллы группы a. Хлорофилл b представлен у высших растений, у зеленых водорослей и эвгленовых. У бурых и диатомовых водорослей вместо хлорофилла b присутствует хлорофилл c, а у многих красных водорослей — хлорофилл d. В твердом виде хлорофилл а представляет собой аморфное вещество сине-черного цвета. Температура плавления хлорофилла а 117—120 °С. Хлорофиллы хорошо растворимы в этиловом эфире, бензоле, хлороформе, ацетоне, этиловом спирте, плохо растворимы в петролейном эфире и нерастворимы в воде. Раствор хлорофилла а в этиловом эфире имеет сине-зеленый цвет, хлорофилла b — желто-зеленый. Резко выраженные максимумы поглощения хлорофиллов лежат в красной и синей частях спектра. В этиловом эфире максимумы поглощения хлорофиллов группы а в красной части спектра — в пределах 660—663 нм, в синей — 428—430 нм, хлорофилла b — соответственно в пределах 642—644 и 452—455 нм. Хлорофиллы очень слабо поглощают оранжевый и желтый свет и совсем не поглощают зеленые и инфракрасные лучи. Растворы хлорофиллов в полярных растворителях обладают яркой флуоресценцией (люминесценцией). В этиловом эфире у хлорофилла а наблюдается рубиново-красная флуоресценция с максимумом 668 нм, у хлорофилла b — 648 нм, т. е. максимумы флуоресценции в соответствии с правилом Стокса несколько сдвинуты в более длинноволновую часть спектра по отношению к максимумам поглощения. Агрегированный хлорофилл и хлорофилл в живом листе флуоресцируют слабо. Растворы хлорофиллов способны также к фосфоресценции (т. е. длительному послесвечению), максимум которого лежит в инфракрасной области. Отметим, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции: 1) избирательно поглощать энергию света, 2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения, 3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую 18 энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений. Сине-зеленые водоросли (цианобактерии), красные морские водоросли и некоторые морские криптомонады помимо хлорофилла а и каротиноидов содержат пигменты фикобилины. Наиболее известные представители фикобилинов — фикоэритробилины и фикоцианобилины. Первые преобладают у красных водорослей и определяют их цвет, вторые — у сине-зеленых. Максимумы поглощения света фикобилинов находятся между двумя максимами поглощения у хлорофилла — в оранжевой, желтой и зеленой части спектра. У водорослей фикобилины — дополнительные пигменты, выполняющие вместо хлорофилла b функции светособирающего комплекса. Около 90 % энергии света, поглощенного фикобилинами, передается на хлорофиллы а. Каротиноиды — жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого, красного цветов — присутствуют в хлоропластах всех растений. Они входят также в состав хромопластов в незеленых частях растений, например в корнеплодах моркови, от латинского наименования которой (Daucus carota L.) они и получили свое название. В зеленых листьях каротиноиды обычно незаметны из-за присутствия хлорофилла, но осенью, когда хлорофилл разрушается, именно каротиноиды придают листьям характерную желтую и оранжевую окраску. К каротиноидам относятся три группы соединений: 1) оранжевые или красные пигменты каротины (С40Н56); 2) желтые ксантофиллы (С40Н56О2 и С40Н56О4); 3) каротиноидные кислоты — продукты окисления каротиноидов с укороченной цепочкой и карбоксильными группами (например, С20Н24О4— кроцетин, имеющий две карбоксильные группы). Каротины и ксантофиллы хорошо растворимы в хлороформе, бензоле, сероуглероде, ацетоне. Каротины легко растворимы в петролейном и диэтиловом эфирах, но почти нерастворимы в метаноле и этаноле. Ксантофиллы хорошо растворимы в спиртах и значительно хуже в петролейном эфире. Синтез каротиноидов происходит в темноте, но резко ускоряется при действии света. Спектры поглощения каротиноидов характеризуются двумя полосами в фиолетово-синей и синей областях от 400 до 500 нм. и липидами фотосинтетических мембран. Каротиноиды выполняют ряд функций, главные из которых: 1) участие в поглощении света в качестве дополнительных пигментов; 2) 19 защита молекул хлорофиллов от необратимого фотоокисления. Возможно, каротиноиды принимают участие в кислородном обмене при фотосинтезе. 3.3. Световая и темновая фазы фотосинтеза Фотосинтез начинается с улавливания и поглощения света пигментом хлорофиллом. Когда свет падает на молекулу хлорофилла, то один из электронов оказывается в возбужденном состоянии. Другими словами, он переходит на более высокий энергетический уровень. Возбужденные электроны передаются затем другими молекулами, в результате чего повышается свободная энергия молекулы-акцептора, а «брешь», образованная в молекуле хлорофилла, заполняется электроном, поступающим из воды. Последняя при этом окисляется, в результате чего выделяется молекулярный кислород. В переходе электронов на более высокий энергетический уровень участвуют две содержащиеся в хлоропластах фотосистемы, образованные хлорофиллом и особыми белками — фотосистема 1, активируемая далеким красным светом (700 нм) и фотосистема 2, активируемая красным светом с более высокой энергией (650 нм), т. е. этот переход происходит в два этапа при использовании света. Реакции, протекающие на этих этапах, получили название световых. Обе фотосистемы связаны между собой системами переноса электронов. На уровне фотосистемы 1 молекулы хлорофилла передают свои электроны, богатые энергией, через ферредоксин к никотинамидаденин-динуклеотидфосфату (НАДФ), который в результате этого восстанавливается в НАДФЧН и в восстановленной форме уже сам способен самостоятельно поставлять электроны, необходимые для образования глюкозы путем восстановления атмосферной СО2. После перехода электронов в НАДФЧН из молекулы хлорофилла в последних остаются своеобразные «бреши». На уровне фотосистемы 2 богатые энергией возбужденные электроны хлорофилла передаются системе переноса электронов, а образовавшиеся «бреши» после «ушедших» электронов замещаются бедными энергией электронами, которые поступают от воды, окисляющейся с образованием молекулярного кислорода. Пройдя через ряд соединений, составляющих цепь переноса электронов, электроны из фотосистемы 2, богатые энергией, в конечном счете замещают утрачены электроны в хлорофилле из фотосистемы 1. 20 В цепи переноса электронов осуществляется несколько окислительно-восстановительных реакций, в каждой из которых электроны переходят на более низкий энергетический уровень. Часть энергии, теряемой при переходе через цепь переноса электронов, идет на обеспечение синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Считают, что синтез молекул АТФ связан также с фотосистемой 1, в которой имеется циклический поток электронов, заключающийся в том, что электроны, захваченные акцептором, возвращаются хлорофиллу через цитохром В. При этом энергия, высвобождающаяся в реакциях систем переноса электронов, в которых электроны двигаются «вниз», запасаются путем синтеза молекул. В результате световых реакций фотосинтеза образуются высокоэнергетические связи АТФ и восстановленный НАДФ, которые снабжают энергией последующие, так называемые темновые реакции, протекающие без света и приводящие к восстановлению атмосферной СО2 до сахаров. Источником энергии здесь является АТФ, а восстанавливающим агентом — НАДФН, синтезируемые в реакциях фотосинтети-ческого переноса электронов. Процесс восстановления СО2 начинается с катализируемой рибулезобисфаткарбоксилазой фиксации молекул этого соединения молекулами акцептора и сопровождается вступлением атомов углерода в ряд последовательных реакций, что приводит к образованию на каждые шесть фиксированных молекул СО2 одной молекулы глюкозы, причем связывание одной молекулы СО2 обеспечивается затратой трех молекул АТФ и восстновленным НАДФ, образованными в световых реакциях. Таким образом, химическая энергия, генерированная световыми реакциями, стабилизируется в молекулах глюкозы в процессе темновых реакций. В конечном итоге из глюкозы образуется крахмал, который является ее высокомолекулярным полимером. В крахмале оказываются запасенными по существу, как атомы углерода, так и энергия. Полимеризуясь, глюкоза также образует целлюлозу. 3.4. Экология фотосинтеза Под экологией фотосинтеза понимают зависимость продуктивности фотосинтеза от факторов внешней среды: интенсивности и качества света, концентрации СО2. Интенсивность и спектральный состав света 21 В среднем листья поглощают 80—85 % энергии фотосинтетически активных лучей солнечного спектра (400—700 нм) и 25 % энергии инфракрасных лучей, что составляет около 55 % от энергии общей радиации. На фотосинтез расходуется 1,5—2 % поглощенной энергии (фотосинтетически активная радиация — ФАР). У многих светолюбивых растений максимальная (100 %) интенсивность фотосинтеза наблюдается при освещенности, достигающей половины от полной солнечной, которая, является насыщающей. Дальнейшее возрастание освещенности не увеличивает фотосинтез и затем снижает его. Даже кратковременное изменение условия освещенности влияет на интенсивность фотосинтеза. Это важное адаптационное свойство позволяет растениям в фитоценозах полнее использовать свет. Фотосинтетический аппарат «настраивается» на периодические сдвиги освещенности при ветре, на частоту мелькания бликов в доли секунды. Помимо интенсивности для процесса фотосинтеза важен и качественный состав света. Скорость фотосинтеза в разных участках спектра, выровненных по количеству энергии, не одна и та же. Наиболее высока интенсивность фотосинтеза в красных лучах. Концентрация диоксида углерода СО2 является основным субстратом фотосинтеза; его содержание определяет интенсивность процесса. Концентрация СО2 в атмосфере составляет 0,03 %. В слое воздуха высотой 100 м над гектаром пашни содержится 550 кг СО2. Из этого количества за сутки растения поглощают 120 кг СО2. При концентрации 0,03 % интенсивность фотосинтеза составляет лишь 50 % от максимальной, которая достигается при 0,3 % СО2. Это свидетельствует о том, что в эволюции процесс фотосинтеза формировался при большей концентрации СО 2 в атмосфере. Водный режим Вода непосредственно участвует в фотосинтезе как субстрат окисления и источник кислорода. Другой аспект влияния содержания воды на фотосинтез состоит в том, что величина оводненности листьев определяет степень открывания устьиц и, следовательно, поступления СО2 в лист. При полном насыщении листа водой устьица закрываются, что снижает интенсивность фотосинтеза. В условиях засухи чрезмерная потеря воды листом также вызывает закрывание устьиц под влиянием увеличения содержания в листьях абсцизовой кислоты в ответ на недостаток влаги. Длительный водный дефицит в тканях листа при засухе приводит к ингибированию нециклического и циклического транспорта электронов и фотофосфорилирования и к снижению 22 величины отношения ATФ/НАДФ за счет большего торможения образования АТФ. Максимальный фотосинтез наблюдается при небольшом водном дефиците листа (порядка 5—20 % от полного насыщения) при открытых устьицах. Минеральное питание Для нормального функционирования фотосинтетического аппарата растение должно быть обеспечено всем комплексом макро- и микроэлементов. Два основных процесса питания растительного организма — воздушный и корневой — тесно взаимосвязаны. Зависимость фотосинтеза от элементов минерального питания определяется их необходимостью для формирования фотосинтетического аппарата (пигментов, компонентов электронтранспортной цепи, каталитических систем хлоропластов, структурных и транспортных белков), а также для его обновления и функционирования. Магний входит в состав хлорофиллов, участвует в деятельности сопрягающих белков при синтезе АТФ, влияет на активность реакций карбоксилирования и восстановления НАДФ, вследствие чего его недостаток нарушает процесс фотосинтеза. Железо в восстановленной форме необходимо для процессов биосинтеза хлорофилла и железосодержащих соединений хлоропластов (цитохромов, ферредоксина). Дефицит железа резко нарушает функционирование циклического и нециклического фотофосфорилирования, синтез пигментов и изменяет структуру хлоропластов. Необходимость марганца для зеленых растений связана с его ролью в фотоокислении воды. Поэтому недостаточность питания по марганцу отрицательно сказывается на интенсивности фотосинтеза. В реакциях фотоокисления воды необходим также хлор. Медь входит в состав пластоцианина, поэтому у растений дефицит меди вызывает снижение интенсивности фотосинтеза. Недостаток азота сильно сказывается на формировании пигментных систем, структур хлоропласта и его общей активности. Концентрация азота определяет количество и активность РДФ-карбоксилазы. В условиях недостатка фосфора нарушаются фотохимические и темновые реакции фотосинтеза. Особенно резко дефицит фосфора проявляется при высокой интенсивности света, при этом более чувствительными оказываются темновые реакции. Однако при уменьшении содержания фосфора в два раза интенсивность фотосинтеза снижается в меньшей степени, чем ростовые процессы и 23 общая продуктивность растений. Избыток фосфора также тормозит скорость фотосинтеза, по-видимому, вследствие изменения проницаемости мембран. Уменьшение содержания калия в тканях сопровождается значительным снижением интенсивности фотосинтеза и нарушениями других процессов в растении. В хлоропластах разрушается структура гран, устьица слабо открываются на свету и недостаточно закрываются в темноте, ухудшается водный режим листа, нарушаются все процессы фотосинтеза. Это свидетельствует о полифункциональной роли калия в ионной регуляции фотосинтеза. Кислород Процесс фотосинтеза обычно осуществляется в аэробных условиях при концентрации кислорода 21 %. Увеличение содержания или отсутствие кислорода для фотосинтеза неблагоприятны. Обычная концентрация О2 превышает оптимальную для фотосинтеза величину. У растений с высоким уровнем фотодыхания (бобы и др.) уменьшение концентрации кислорода с 21 до 3 % усиливало фотосинтез, а у растений кукурузы (с низким уровнем фотодыхания) такого рода изменение не влияло на интенсивность фотосинтеза. Высокие концентрации О2 (25—30%) снижают фотосинтез («эффект Варбурга»). Вопросы для самоконтроля 1. В чем сущность фотосинтеза? 2. Чем характеризуется световая фаза фотосинтеза? 3. Чем характеризуется темновая фаза фотосинтеза? 4. В чем заключается фотосинтетическое фосфорилирование? 5. Какое строение имеет хлорофилл, какова его роль? 6. Каково строение хлоропласта, его роль? 7. Каково суммарное уравнение фотосинтеза? 8. Какие лучи солнечного спектра больше всего поглощаются при фотосинтезе? 9. Какой газ выделяется при фотосинтезе и откуда он берется? 10. Каково содержание СО 2 в воздухе и как (влияет повышение его на фотосинтез? 11. Какой процент лучистой энергии используется растением в фотосинтезе? 12. Какие опыты доказывают наличие процесса фотосинтеза в растении? Рекомендуемая литература: 3, 4, 6, 11, 12, 13, 14. 24 Тема 4. ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ Все живые организмы дышат, т. е. поглощают кислород и выделяют углекислый газ и воду. При этом происходит разложение органических веществ и выделение энергии, необходимой для жизни каждой клетки, всего растения. Суммарное уравнение дыхания: С6Н12О6 + 6О2 6СО2 + 6Н2О. Данная формула характеризует начальный и конечный момент процесса дыхания. В действительности этот процесс многоступенчатый. Он состоит из целого ряда последовательно идущих окислительновосста-новительных реакций. Итак, для дыхания нужно органическое вещество, включающее в себя запас потенциальной энергии, и кислород. 4.1. Превращение веществ в растении и дыхание В качестве органических веществ, необходимых для дыхания, служат в основном углеводы, белки и жиры. Типичным соединением, окисляемым в процессе дыхания, является глюкоза. Энергетически наиболее выгодным для дыхания веществом является жир. 1 г жира при окислении до СО2 и Н2О дает 9,2 ккал, белки — 5,7 ккал, углеводы — 4 ккал. Процесс превращения исходного органического вещества до более простых и затем до СО2 и Н2О требует большого числа различных ферментов. Объемы выделенного при дыхании углекислого газа и поглощенного кислорода, судя по уравнению, должны быть равны. Отношение СО2: О2 называется дыхательным коэффициентом. Если исходным дыхательным материалом является сахар, то этот коэффициент обычно равен 1. В том случае, когда исходным материалом будут жиры или белки, на окисление которых нужно больше кислорода из воздуха, дыхательный коэффициент снизится до 0,7—0,8. Например, если исходным веществом будет стеариновая кислота, то процесс дыхания пойдет по суммарному уравнению: С18Н36О2 + 2602 18СО2 + 18Н2О. Здесь дыхательный коэффициент будет равен 18:26 = 0,69. Если же исходным веществом будут соединения, богатые кислородом, то для их окисления потребуется меньше кислорода воздуха, и дыхательный коэффициент повысится. Так, при дыхании за счет щавелевой кислоты уравнение примет следующий вид: 25 2С2О4Н2 + О2 4СО2 + 2Н2О. Дыхательный коэффициент будет равен 4 : 1 = 4. Чем выше дыхательный коэффициент, тем ниже тепловой эффект, и наоборот. Поэтому жиры и белки отличаются более высоким тепловым эквивалентом. Сравнивать дыхание у разных органов растения можно по выделению СО2 на 1 г сухого вещества в единицу времени при определенной температуре, т. е. по интенсивности дыхательного процесса. Установлено, что растущие органы дышат интенсивнее нерастущих. Прорастающие семена, цветки, плоды, мицелий грибов дышат более интенсивно, чем другие органы. Фотосинтез и дыхание можно рассматривать как два противоположных процесса. Если в растении оба процесса будут протекать с одинаковой интенсивностью, то накопления органического вещества не будет. В пасмурную и холодную погоду такое явление может произойти. Интенсивность света, при которой количество создаваемого органического вещества при фотосинтезе равно трате его на дыхание, называется компенсационной точкой. Для световых и теневых растений компенсационная точка будет различная. 4.2. Факторы, влияющие на процесс дыхания На процесс дыхания влияют температура, влажность, наличие ядовитых веществ и физических агентов, содержание кислорода в воздухе. Температура. Влияние температуры на жизненные процессы подчиняется правилу Вант-Гоффа. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость процесса удваивается. Это ускорение носит название температурного коэффициента (Q10). Он равен примерно 2. Закон Вант-Гоффа действует в пределах до 40 °С. Дыхание у растений происходит в довольно широких границах температур. У зимующих растений дыхание можно обнаружить и при 20—25 °С мороза. Оптимальная температура для дыхания прорастающих семян 30 и 40 °С. При температуре 50 °С дыхание прекращается, так как белки цитоплазмы свертываются. Насыщенность клеток водой. Вода необходима для набухания коллоидов цитоплазмы. Сухие семена ячменя (с 10—12 % гигроскопической воды) выделяют за сутки ничтожное количество углекислого газа (0,3—0,4 мг). При повышении содержания воды до 33 26 % (почти полном набухании) количество выделенного СО2 достигает 2 г. Оно увеличивается примерно в 10000 раз. Поэтому хранение зерна, имеющего влажность свыше 12—14 %, приводит к потере органического вещества и всхожести. Зерно темнеет и портится («сгорает»). Наличие ядовитых веществ и физических агентов. Такие вещества, как эфир, хлороформ, нейтральные соли щелочных и щелочноземельных металлов, в больших дозах вызывают быстрое падение дыхания вследствие отравления растения. В малых дозах они действуют стимулирующее — дыхание повышается. Воздействие электричеством, радиоактивными веществами, резкие перемены температуры или смена света и темноты также стимулируют дыхание. Содержание кислорода в воздухе. Небольшие колебания в содержании кислорода в воздухе (20,95 %) особого влияния на процесс дыхания не оказывают. Падение же его содержания до 1—2 % приводит обычно к снижению интенсивности дыхания. Имеющегося кислорода уже недостаточно для процесса нормального дыхания. На смену ему приходит анаэробное дыхание, т. е. дыхание без доступа свободного кислорода. Недостаток кислорода возможен и внутри некоторых семян, имеющих плотную кожуру. Накопившийся в них углекислый газ действует на семена как анестезирующее средство (делающее их нечувствительными). Не теряя всхожести, такие семена могут длительное время находиться в почве, не прорастая (многие сорняки). В настоящее время СО2 применяют для сохранения плодов и овощей. 4.3. Аэробное и анаэробное дыхание Дыхание за счет кислорода воздуха называется аэробным. При отсутствии кислорода воздуха живой организм (зеленое растение, животное) не сразу умирает. Некоторое время он живет за счет кислорода, получаемого от воды и органических веществ, имеющихся в организме. Такое дыхание называется анаэробным (бескислородным). При нем органическое вещество разлагается не до СО2 и Н2О, а лишь до спирта и углекислоты. Поэтому энергии выделяется значительно меньше. Анаэробное дыхание протекает по следующей суммарной формуле: С6Н12О6 2С2Н5ОН + 2СО2 + 24 ккал. 27 Две молекулы спирта содержат потенциальную энергию, равную 650 ккал. Малое количество энергии, получаемое от анаэробного дыхания, не дает возможности организму долго существовать, и он вскоре умирает. Напомним, что энергия организму нужна для всех жизненных процессов — роста, движения, размножения, передвижения веществ и т. д. При аэробном (или нормальном) дыхании при окислении одной молекулы глюкозы выделяется 686 ккал, т. е. в 27 раз больше, чем в тех же условиях при анаэробном дыхании. 4.4. Брожение Спиртовое брожение Анаэробное дыхание, наблюдаемое при отсутствии кислорода у высших растений, является нормальным явлением для ряда низших организмов. Особенно энергично оно протекает у дрожжей. Их анаэробное дыхание называется спиртовым брожением. Пастер в 1860 г. доказал, что для дрожжей спиртовое брожение необходимо, так как оно дает им энергию для существования в бескислородной среде. Брожение Пастер охарактеризовал как «жизнь без кислорода». Спиртовому брожению подвергаются только углеводы с 3, 6 и 9 углеродными атомами. Другие углеводы должны предварительно превратиться в названные выше. Суммарная формула спиртового брожения аналогична формуле анаэробного дыхания: С6Н1206 2СО2 + 2С2Н5ОН + 24 ккал. Дрожжи могут существовать до накопления 14—16 % спирта, поэтому крепость виноградных вин не превышает 14—16 °С. Более крепкие напитки естественным брожением не могут быть получены. Их изготовление проводится иным способом. Спиртовое брожение используется в виноделии, пивоварении, спиртовой промышленности и хлебопечении. Кислотное брожение Из других видов брожения наиболее важными являются молочнокислое, масляно-кислое и уксусно-кислое. Молочно-кислое брожение вызывается бактериями, которые разлагают сахар на две частицы молочной кислоты с выделением небольшого количества энергии по формуле: 28 С6Н12О6 = 2СН3СНОНСООН + 24 ккал. Эта реакция протекает при нормальном скисании молока. Она может протекать и при доступе кислорода. Кроме углеродсодержащих веществ, молочно-кислым бактериям для жизни требуются азотистые и зольные вещества, а также витамины. Молочно-кислое брожение используется при изготовлении различных молочных продуктов (кефира, кумыса, ацидофилина), разнообразных сыров, при квашении капусты, огурцов, при силосовании кормов. Масляно-кислое брожение вызывается масляно-кислыми бактериями (из рода клостридиум). Они разлагают сахар с образованием масляной кислоты, углекислоты и водорода по формуле: С6Н12О6 = СН3СН2СН2СООН + 2СО2 + 2Н2 + 15 ккал. Часто реакция несколько видоизменяется в связи с получением дополнительных продуктов. Процесс идет лишь при полном отсутствии кислорода. Разложению подвергаются не только гексозы, но и другие соединения. Уксусно-кислое брожение заключается в окислении спирта кислородом воздуха. Возбудителями его являются некоторые бактерии, дрожжи и плесневые грибы. Это брожение можно выразить уравнением: СН3СН2ОН + О2 = СН3 СООН + Н2О + 117 ккал. Уксусно-кислое брожение отличается от предыдущих. Исходным продуктом здесь является этиловый спирт, а не глюкоза. Кроме того, этот тип брожения хотя и вызывается низшими организмами, требует доступа кислорода, т. е. имеет сходство с дыханием высших растений. Поскольку этиловый спирт окисляется не до Н2О и СО2, а до Н2О и уксусной кислоты, которая сама еще может быть окислена, выделяется всего 117 ккал. Уксусно-кислое брожение является причиной прокисания пива, виноградного вина. Его используют для получения уксуса из слабых виноградных вин и разведенного спирта. 4.5. Дыхание и брожение в современном изложении Процессы дыхания и брожения имеют очень сложные срединные звенья, связанные с образованием многих промежуточных продуктов. Благодаря этому указанные процессы тесно связаны с общим обменом веществ в растении. 29 В результате более детального исследования спиртового брожения было выяснено, что оно является по существу первой фазой дыхания. Лишь вторая фаза, после образования пировиноградной кислоты, будет у обоих процессов различна. Первая (общая) фаза для процесса дыхания и процесса спиртового брожения (анаэробного дыхания) носит название гликолиза. Она включает распад глюкозы до пировиноградной кислоты. Далее при дыхании происходит ступенчатое превращение последней в присутствии кислорода в СО2 и Н2О с выделением (в целом) 686 ккал энергии. Оно называется циклом Кребса. При брожении пировиноградная кислота в отсутствие кислорода постепенно превращается в спирт и СО2 с выделением 24 ккал. Для гликолиза характерно образование ряда органических кислот, участие многих ферментов и фосфорных соединений с макроэргическими связями (АДФ и АТФ), затем никотинамидаденина (НАД) — вещества, необходимого для работы некоторых ферментов, коэнзима А (КоА) — сложного сульфгидрильного соединения, способного временно присоединять к себе некоторые вещества. АТФ в растении образуется не только в хлоропластах, о чем было сказано ранее, но и в митохондриях, при наличии кислорода и окислительных ферментов. Такой способ образования АТФ называется окислительным фосфорилированием (в отличие от фотосинтетического фосфорилирования). Энергию для реакции АДФ + Н3РО4 АТФ + Н2О растение получает в результате процесса дыхания, а не солнца. При переходе АТФАДФ растение получает 8— 10 ккал, которые используются для эндотермических (требующих затраты энергии) реакций. Чтобы яснее представить сложность гликолиза, рассмотрим ход последовательных превращений глюкозы до пировиноградной кислоты: Глюкоза Глюкозо-6-фосфат Фруктозо-1,6-дифосфат 3-Фосфоглицериновый альдегид-1,3 Дифосфоглицериновая кислота 3-Фосфоглицериновая кислота 2-Фосфоглицериновая кислота Фосфоэнолпировиноградная кислота Энолпировиноградная кислота Пировиноградная кислота. Образовавшаяся пировиноградная кислота в процессе дыхания претерпевает превращения по циклу Кребса, которые схематически можно представить следующим превращением кислот: 30 Цикл Кребса Пировиноградная Уксусная Лимонная Цисаконитовая Щавелевоянтарная α-Кетоглутаровая Янтарная Фумаровая Яблочная Щавелево-уксусная Образовавшаяся щавелево-уксусная кислота после отнятия СО2 снова переходит в пировиноградную кислоту. Если же щавелевоуксусная кислота соединится с уксусной кислотой, то получится лимонная кислота. Она в результате присоединения воды, дегидрирования (переноса водорода), декарбоксилирования (отщепления СО2) и действия ферментов снова проходит многоступенчатые превращения. Нередко цикл Кребса называют лимонно-кислым циклом. В ходе видоизменения одних кислот в другие выделяются СО2 и Н2О. Углерод окисляется кислородом воды, а не кислородом из внешней среды. Последний же окисляет выделяющийся водород и образует воду. 31 Некоторые кислоты (фумаровая, яблочная и др.), присоединяя NН3, дают аминокислоты для образования белков. Уксусная кислота может служить материалом для образования жирных кислот и жиров. Между начальной и финальной фазой процесса дыхания имеется целая серия новообразований различных соединений, которые могут быть использованы растением в обмене веществ. Пировиноградная кислота (СН3СОСООН) в анаэробных условиях претерпевает другие превращения. Под влиянием фермента (декарбоксилазы) от нее отщепляется углекислый газ, и тогда образуется и уксусный альдегид (СН3СНО). Он присоединяет к себе Н (от НАД∙Н2) и превращается в этиловый спирт (С2 Н5ОН) — конечный продукт спиртового брожения сахара. Таким образом, разница между аэробным и анаэробным дыханием имеется лишь во второй фазе — после образования пировиноградной кислоты. Вопросы для самоконтроля 1. В чем сущность процесса дыхания? 2. Каково суммарное уравнение процесса дыхания? 3. В чем состоит окислительное фосфорилирование? 4. В чем заключается гликолиз? 5. Что охватывает цикл Кребса? 6. Чем характеризуются анаэробное дыхание и спиртовое брожение? 7. Как происходят масляно-кислое и молочно-кислое брожения? Где они встречаются? 8. Какова энергетическая сторона процесса дыхания и процесса брожения? 9. Какие опыты доказывают наличие процесса дыхания у растений? 10. Что называется дыхательным коэффициентом? Рекомендуемая литература: 3, 4, 6, 11, 12, 13. Тема 5. МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ 5.1. Химический состав растений Анализ сухого вещества растений показывает, что в нем содержатся углерод (45 %), кислород (42 %), водород (6,5 %), азот (1,5 %), зольные элементы (5 %). 32 Все элементы, встречающиеся в растениях, принято делить на три группы: 1. Макроэлементы. В эту группу входят элементы, содержание которых в сухой массе растения колеблется от десятков процентов до сотых долей процента. Сюда относятся все органогены (элементы, входящие в органическую часть сухого вещества): углерод (С), кислород (О), водород (Н), азот (N) — и зольные элементы: калий (К), кальций (Са), кремний (Si), магний (Mg), натрий (Na), железо (Fe), фосфор (Р), сера (S),алюминий (А1), хлор (С1). 2. Микроэлементы. К микроэлементам относятся элементы, содержание которых в сухой массе растения составляет от тысячных до стотысячных долей процента. В эту группу входят марганец (Мn), бор (В), стронций (Sr), медь (Сu), литий (Li), йод (J), бром (Вг), никель (Ni), молибден (Мо), кобальт (Со). 3. Ультрамикроэлементы. Содержание ультрамикроэлементов в сухой массе растения измеряется миллионными долями процента. Это цезий (Cs), селен (Se), кадмий (Cd), ртуть (Hg), серебро (Ag), золото (Аu), радий (Ra). Многие элементы, хотя и встречаются в растении, не являются необходимыми для него. Зато без некоторых из них растение не может расти и развиваться, хотя требуемое количество их является минимальным. Отдельные элементы на разных этапах развития растения поглощаются неодинаково. Наибольшее количество зольных элементов требуется во время цветения и образования семян. Больше всего зольных элементов накапливается в листьях. В них имеется 5— 30 % золы от сухой массы, в то время как в стеблях — 4 %, корнях — 5 %, а в семенах — 3 %. 5.2. Роль азота в почвенном питании растений Растения получают азот из содержащихся в почве солей азотистой и азотной кислот, а также из аммонийных соединений. Азот органических веществ почвы должен быть переведен в указанные соли микроорганизмами. Лишь тогда он становится доступным для растений. Хотя азота в растениях количественно содержится мало, его значение нельзя недооценивать. Азот входит в состав аминокислот, белков, АТФ, АДФ, хлорофилла, некоторых витаминов и ферментов. 33 Недостаток азота в почве вызывает недоразвитость растений, изменения в окраске листьев. Избыток азота способствует бурному росту вегетативных органов в ущерб плодоношению. Из четырех органогенов (С, Н, О, N) именно об азоте необходимо заботиться, так как в доступной для питания растений форме его очень мало в окружающей среде. В воздухе паров аммиака и окислов азота немного. Поэтому существенной роли в питании растений они не играют. В почве на 1 кг примерно приходится органического азота 2 г, аммиачного 0,02 г и нитратного 0,03 г. Органический азот должен быть переведен гнилостными и нитрифицирующими бактериями в неорганические соединения. Тогда он станет доступным растениям. Этот перевод органического азота, минерализация его, протекает в два этапа. Первый называется аммонификацией. Он заключается в разложении органических веществ почвы с образованием аммиака (NН3). Второй этап носит название нитрификации. Сущность его — превращение летучего вещества — аммиака — в азотистую, а затем в азотную кислоту. Осуществляется это в результате деятельности разных видов бактерий. Сначала с помощью аэробной бактерии нитрозомонас аммиак переводится в азотистую кислоту по формуле: 2NH3 + 3О2 = 2НNО2 + 2Н2О + 158 ккал. Затем под действием аэробной бактерии нитробактер азотистая кислота переводится в азотную: 2НNО2 + О2 = 2НNО3 + 38 ккал. В почве азотная кислота вступает в реакции с другими соединениями, в результате чего образуются питательные для растений соли: KNO3, NaNO3, Ca(NO3)2 , NH4NO3. Таким образом, в процессе нитрификации количество азотсодержащих солей в почве повышается. Оба этапа превращения азота требуют свободного кислорода. Поэтому рекомендуется производить рыхление почвы, чтобы улучшить условия жизни и деятельности аэробных бактерий. При отсутствии воздуха в почве создаются анаэробные условия, в результате чего развивается деятельность денитрифицирующих бактерий. Они разлагают азотистые соединения, высвобождая из них свободный азот, улетучивающийся в атмосферу. Таким образом, ценное для растения вещество — азот — теряется для растения. Этот нежелательный процесс называется денитрификацией. 34 Поступившие в растения соли азотной кислоты в корнях и листьях восстанавливаются по следующей схеме: HNO3 HNO2 H2OH NH3 NH2 Аминокислоты Белок. Кроме нитрификации пополнению доступных растению форм азота способствует деятельность свободноживущих и симбиотических форм бактерий. Связывание свободного азота бактериями Живущие в почве бактерии, принадлежащие к родам клостридиум и азотобактер, способны связывать молекулярный азот (N2) атмосферы и переводить его в доступные для растений формы. Клостридиум (Clostridium pasteurianum) — анаэробная бактерия. В почве она живет в сообществе с аэробными бактериями, которые поглощают кислород и создают для нее анаэробные условия. Клостридиум вызывает масляно-кислое брожение, в результате которого разлагается сахар, образуется масляная кислота, углекислый газ, водород и высвобождается немного энергии. Используя энергию и водород, клостридиум усваивает N2 атмосферы, переводя его в NH3. Затем NH3 превращается в другие соединения азота. Другой фиксатор азота — азотобактер (Azotobacter chroococcum) — аэробная бактерия. Энергию для связывания азота она получает от дыхания. На 1 г разложенного сахара азотобактер фиксирует 5—20 мг азота. Кроме названных микроорганизмов связывают азот клубеньковые бактерии из рода ризобиум (Rhizobium). Фиксировать азот эти бактерии могут, лишь находясь в теле бобового растения. Клубеньковые бактерии находятся в симбиозе с бобовыми растениями. Проникая через корневой волосок в первичную кору корня, они быстро в нем размножаются, вызывают деление паренхимных клеток и образование клубенька. Сначала бактерии живут за счет бобового растения, а затем начинают фиксировать азот. Возникает аммиак (NН3), а из него —аминогруппы (NH2). Образовавшихся азотистых веществ хватает для удовлетворения потребностей и бактерий и бобового растения. Часть азотистых веществ выделяется из корней в почву. Деятельность клубеньковых бактерий значительно эффективнее, чем свободноживущих азотфиксаторов. Клубеньковые бактерии могут полностью компенсировать убыль азотистых веществ, выносимых из почвы культурными растениями (50 кг с гектара и более). 35 5.3. Роль зольных макроэлементов в минеральном питании растений Главнейшими зольными макроэлементами являются фосфор, сера, калий, кальций, магний, железо и натрий. Каждый из них строго специфичен и не может быть заменен другим. Фосфор (Р) воспринимается растением только в форме высшего окисла (РО43-) и не восстанавливается. Растение использует как неорганические, так и некоторые органические соединения фосфора (фосфорные эфиры сахаров и др.). Фосфор входит во многие жизненно важные вещества. В органических соединениях содержится около 50 % фосфора, имеющегося в растении. Он входит в состав АДФ и АТФ, нуклеиновых кислот, нуклеотидов, фосфатидов и ряда ферментов. Недостаток его отрицательно сказывается на росте растения. Соли фосфорной кислоты способствуют удержанию рН клеточного сока на определенном уровне. После отмирания растений фосфорные соединения подвергаются минерализации. Образовавшаяся при этом фосфорная кислота дает труднорастворимые соли (кальция, магния и железа). Благодаря корневым выделениям происходит растворение их, и фосфор вновь используется растением. Сера (S) играет роль в окислительно-восстановительных процессах. Она входит в состав белков, кофермента А, витамина В 1. В растении содержатся доли процента серы от сухого вещества. Наибольшее содержание серы — в листьях и семенах. Недостаток серы вызывает пожелтение жилок листа. Усваивается сера в виде аниона SO4 из солей серной кислоты. В присутствии углеводов в листьях и отчасти в корнях происходит восстановление серы. В органические вещества она входит в виде сульфгидрильной (SH) и дисульфидной (—S—S—) группы. При разложении органического вещества, содержащего серу, освобождается сероводород (H2S). Благодаря деятельности серобактерий он окисляется до серной кислоты. С катионами почвы образуются доступные для растений соли. Хлор (С1) в небольших дозах требуется всем растениям. Он оказывает влияние на поступление РО4 и других анионов. Хлор входит в состав некоторых ферментов (карбоксилазы). Соли, содержащие хлор, физиологически кислые. 36 Калий (К) в наибольших количествах содержится в молодых органах растений (до 50 % от массы золы). Он оказывает большое влияние на состояние цитоплазмы, на синтез и распад белков, активирует некоторые ферменты и влияет на осмотическое давление клеточного сока. Калий усваивается растением из солей КСl, KNO3, КН2РО4, K2SO4. Недостаток калия вызывает пожелтение кончиков и краев листьев. Магний (Mg) входит в состав хлорофилла. Он принимает участие в превращении веществ, влияет на деятельность ферментов, увеличивает вязкость цитоплазмы и уменьшает гидратацию коллоидов. Магний поступает в растение из солей MgSO4, MgCl2, Mg(NO3)2 и др. Кальций (Са) — ценный элемент питания растений. Он является антагонистом одновалентных катионов. Кальций влияет на строение цитоплазмы, увеличивает ее вязкость. При недостатке его происходит неправильное деление ядра и отмирание точки роста. Кальций обусловливает поступление в клетку катионов, нейтрализует накапливающиеся в растении органические кислоты. Кальций улучшает структуру почвы, поэтому на кислых почвах вносят известь. Ионы его способствуют поступлению в растения бора, марганца и молибдена. Железо (Fe) входит в состав ферментов, катализирующих образование хлорофилла. Без железа вырастают лишенные зеленой окраски хлоротические растения. Железо необходимо также для окислительно-восстановительных ферментов, оно играет роль в процессах фотосинтеза и дыхания и поэтому нужно не только зеленым, но и бесхлорофилльным организмам. Известно влияние железа на рост. При отсутствии этого элемента точка роста стебля отмирает, междоузлия уменьшаются. Отсутствие железа вызывает также опадение бутонов и отмирание живых клеток. Натрий (Na) в наибольшем количестве встречается у растений засоленных почв (галофитов). Он повышает осмотическое давление в клетках и способствует поглощению воды из почвы. Натрий вытесняет другие катионы из поглощающего комплекса почвы и делает их доступными для растений. Вместе с тем он может вытеснять из растения катионы и нарушать их баланс, что не желательно. 37 5.4. Роль микроэлементов в минеральном питании растений Растению требуются ничтожные количества микроэлементов. Отсутствие их сейчас же выявляется. Тогда следует внести соответствующие микроудобрения. К микроэлементам относятся бор, марганец, цинк, медь, молибден и др. Бор (В) влияет на ростовые процессы. При отсутствии его верхушечные почки и корешки отмирают, цветки опадают или не завязываются плоды, на корнях бобовых снижается число клубеньков. Многие растения, лишенные бора, подвержены заболеванию. Наиболее требовательны к бору лен, сахарная свекла, гречиха, подсолнечник, бобовые. Недостаток бора чаще ощущается на дерново-подзолистых почвах. Марганец (Мn) — микроэлемент, при отсутствии достаточного количества которого у плодовых возникает хлороз. У ряда растений без марганца развиваются различные болезни. У злаков в основании молодых листьев выявляется серая пятнистость. Избыток марганца вызывает коричневую пятнистость. Марганец активирует некоторые ферменты, способствует фотосинтезу. Содержание этого элемента в растениях подвержено резким колебаниям. Цинк (Zn) входит в состав некоторых ферментов, способствует распаду Н2СО3 до воды и углекислого газа, а также синтезу ростовых веществ. Недостаток цинка обнаруживается у растений по хлоротической пятнистости и бронзовой окраске листьев, ослабленному росту, мелколистности, розеточности. Медь (Сu) играет большую роль в активности ферментов хлоропластов, повышает морозоустойчивость растений. Недостаток меди особенно ощущается злаками и свеклой на торфяных почвах. У плодовых отсутствие меди в почве вызывает суховершинность. Недостаток меди часто ощущается в болотных и дерново-подзолистых почвах. Молибден (Мо) необходим азотфиксирующим бактериям. Он способствует восстановлению нитритов. Очень мало молибдена в болотных почвах. Вопросы для самоконтроля 1. Какие элементы являются органогенами, их процентное содержание в сухом веществе растения? 2. Какие зольные микроэлементы вы знаете? Какова их роль в растении? 38 3. Какие микроэлементы вам известны? Какую роль они играют в жизни растений? 4. Что такое хлороз и чем он вызывается? 5. Как осуществляется питание растений азотом? 6. В чем сущность нитрификации и денитрификации? 7. Какую роль играют клубеньковые бактерии? Рекомендуемая литература: 3, 4, 6, 11, 12, 13, 15. Тема 6. РОСТ, РАЗВИТИЕ И ДВИЖЕНИЯ РАСТЕНИЙ 6.1. Общие понятия о росте и развитии растений Рост — это процесс новообразований в организме, часто связанный с необратимым увеличением размеров растения. Мы наблюдаем за процессом роста, смотря на прорастающие семена, раскрывающиеся почки, созревающие плоды. В растении осуществляется рост клеток, тканей, органов. Одновременно происходит формирование растительного организма, его развитие. Рост и развитие — взаимосвязанные проявления единого процесса жизни, но они не тождественны. Под развитием подразумевают качественные морфологические и физиологические изменения, которые происходят в течение жизни растительного организма. Клетка при своем росте проходит три фазы: эмбриональную (деления), растяжения и дифференциации. Первая фаза (эмбриональная) характеризуется непрерывным делением клеток. Размеры эмбриональных клеток сравнительно небольшие. Дочерние клетки, достигнув величины материнских клеток, снова делятся. Необходимо, чтобы к ним был приток веществ для образования новых клеток. Обычно делящиеся клетки находятся в верхушках (апексах) стебля и корня, составляя меристематические ткани. Ниже конусов нарастания эмбриональные клетки перестают делиться и переходят во вторую фазу роста — фазу растяжения. Главное отличие ее от первой — образование больших вакуолей за счет воды, увеличивающих размер клеток. Последние сильно вытягиваются (наблюдается наибольший рост органа). Увеличение размера клетки сопровождается также некоторым нарастанием количества цитоплазмы и клеточной оболочки. 39 После фазы растяжения клетка вступает в фазу дифференциации и приобретает индивидуальные черты. Одни клетки превращаются в сосуды, другие — в ситовидные трубки, у третьих — сильно увеличивается и видоизменяется оболочка и т. д. Благодаря специфичной изменчивости клеток возникают различные ткани. 6.2. Регуляторы роста Соединения, влияющие на рост растений, называются регуляторами роста. К ним относятся как природные ростовые вещества, так и химические ростовые препараты, применяемые в сельском хозяйстве. Из ростовых веществ (фитогормонов) рассмотрим ауксины, гиббереллины и кинины. Ауксины создаются в верхушках (апексах) стеблей и корней, затем они перемещаются ниже — в зону растяжения клеток — и способствуют их удлинению. Ауксины влияют на рост колеоптилей злаков, стеблей, листьев и корней растений, вызывают изгибы органов, задерживают опадение листьев и завязей, а также способствуют образованию корней у черенков. Ауксин вызывает клеточные деления (в каллюсе, в камбиальных клетках). Он способствует росту верхушечной (апикальной) почки и подавляет развитие боковых почек. При удалении верхушечной почки происходит пробуждение нижерасположенных боковых почек. Наиболее распространенным ауксином является β-индолил-3-уксусная кислота (ИУК). Ауксин передвигается только вниз по стеблю. Гиббереллины значительно сильнее усиливают рост стебля, чем ауксины. Рост происходит в результате удлинения стебля, а не образования новых междоузлий. Без гиббереллинов растения получаются карликовыми. Если их опрыснуть раствором гибберелловой кислоты, то они станут бурно вытягиваться. Впервые гиббереллины были обнаружены в мицелии гриба, паразитирующего на растениях риса, а позже и в тканях высших растений (Ланг, 1956, 1957; М. X. Чайлахян и сотр., 1957). Гиббереллины влияют также на цветение, плодоношение и покой растений. Характерная особенность гиббереллинов — проявлять свои свойства только в целом растении, а не в изолированных его частях. Гиббереллины передвигаются по растению и вверх (акропетально) и вниз (безипетально). Кинины, или цитокинины, стимулируют клеточное деление. В большом количестве цитокинины имеются в кокосовом молоке, в 40 формирующихся яблоках и сливах. Цитокинины способны также активировать прорастание семян и дифференциацию почек, освобождать боковые •почки от влияния верхушечной, стимулировать рост листьев и вызывать вторичное позеленение пожелтевших листьев. Предполагается, что цитокинины могут образовываться в корнях, в молодых листьях и почках. 6.3. Ингибиторы роста Природные ингибиторы роста. В растениях вырабатываются также вещества, подавляющие рост растений. К ним относятся кумарин, скополетин, коричная и паракумаровая кислоты, арбутин и другие фенольные соединения. В 1936 г. Эддикотом с сотрудниками был описан природный ингибитор — абсцизовая кислота. Она задерживает прорастание семян, тормозит рост отрезков колеоптилей и ускоряет опадение черешков листьев. Другой ингибитор — продукт жизнедеятельности растительных тканей — этилен. Он подавляет формообразовательные процессы, активируемые ауксинами, усиливает процесс опадения листьев. Даже при содержании в воздухе в концентрации 0,0001 % этилен вызывает пожелтение и опадение листьев. Природные ингибиторы содержатся в корнях, клубнях, корневищах, листьях и семенах. Ингибиторы блокируют биохимические процессы, сопутствующие нормальному росту. Перед наступлением покоя клубней, семян и почек они накапливаются, а природные ауксины исчезают. При разрушении ингибиторов усиливаются ростовые процессы. Синтетические ингибиторы роста. К синтетическим ингибиторам принадлежат искусственные препараты: гербициды, ретарданты, дефолианты и десиканты. Гербициды — синтетические препараты, уничтожающие сорную растительность. Имеется очень много гербицидов (неорганических и органических). Гербициды могут быть общеистребительные и избирательного действия. Первые уничтожают все зеленые растения, произрастающие на данном участке. Их употребляют при обработке жнивья, для уничтожения сорной растительности вдоль дорог и т. д. Гербициды избирательного действия при определенной концентрации и использовании в определенной фазе развития растений могут уничтожать сорняки, не повреждая культурных растений. Действие этих гербицидов основано на различной реакции цитоплазмы 41 клеток разных растений на применяемые вещества. Вместе с тем гербициды могут быть местного действия (контактные гербициды) и передвигающиеся. Контактные гербициды повреждают чаще всего стебли и листья, т. е. те органы, которые опрыскиваются. Передвигающиеся гербициды характеризуются тем, что они, попав на стебли и листья, передвигаются затем по растению, проникают в корни и повреждают их. Вторжение гербицидов в клетки вызывает нарушение обмена веществ в них и хода ростовых процессов. Ретарданты — синтетические вещества, замедляющие рост растений. Они подавляют деление клеток в верхушечных меристемах (гибберелловая кислота восстанавливает его). Их применяют в полеводстве для укорачивания стеблей злаков, чтобы они не полегали. В садоводстве ретарданты используют для задержки роста вегетативных побегов и усиления плодоношения. 6.4. Влияние внешних условий на рост Температура для роста разных растений требуется различная. Различают минимальную, оптимальную и максимальную температуру. Различная температура требуется для роста и их разных органов. На всех этапах развития растения требования к температуре также не одинаковы. Большинство покрытосеменных растений погибает при воздействии температуры 50 °С, хотя сине-зеленые водоросли и бактерии могут жить в горячих источниках с температурой 60—80 °С. Свет оказывает большое влияние на рост и развитие высших растений. Имеет значение не только интенсивность света, но и продолжительность освещения в течение суток. При продвижении от экватора к полюсу и от низин в горы они сильно меняются. В темноте хлорофилл не образуется, фотосинтез не происходит. В таких условиях рост может продолжаться лишь за счет имеющихся запасных веществ, но характер роста будет не таким, как в нормальных условиях. Выросшие в темноте этиолированные растения будут желтоватого цвета, с длинными междоузлиями, с плохо развитыми механическими тканями. Воздух. Нормальное содержание кислорода в воздухе (21 %) вполне достаточно для роста растений. Некоторым из них хватает и несколько меньшего содержания О2 в воздухе. Для молодых растений риса достаточно 3 % кислорода. Более чувствительны к недостатку кислорода корни, но и здесь имеются индивидуальные различия. Для 42 роста корней овса оптимум будет при 8 % О2 , томата — 16 %, а сои — 6 %. Вода — фактор, необходимый для всех процессов, в том числе и роста. При недостатке воды в почве семена не трогаются в рост, фаза растяжения у корней быстро заканчивается и корневая система недоразвивается. Отсутствие осадков в период, предшествующий стеблеванию злаков, снижает урожай. Искусственное орошение способствует росту и урожайности растений. Химические раздражители также влияют на рост растений. Некоторые из них являются ядовитыми. В малых дозах они задерживают рост, в больших дозах вызывают отравления и даже гибель. Ядовитыми веществами являются соли тяжелых металлов (медные, свинцовые, серебряные и др.) и органические соединения — эфир, хлороформ, толуол, некоторые кислоты (особенно щавелевая). При значительных концентрациях подавляет рост углекислый газ. Он приостанавливает развитие грибов. Поэтому этот газ стали использовать для сохранения плодов и овощей, отличающихся пониженной жизнедеятельностью. Для прорастающих семян его применять нельзя. В очень слабых дозах некоторые ядовитые вещества могут стимулировать рост. 6.5. Периодичность роста растений Рост растений — процесс непостоянный. Период более активного роста сменяется затуханием процесса. Растение впадает в период покоя. В средних широтах в зимний период деревья пребывают в состоянии такого покоя. Луковицы, корневища, почки, семена также находятся во внешне безжизненном (анабиозном) состоянии. Но в их клетках обмен веществ не прекращается, они не теряют своей жизнеспособности. Весной растения вновь проявляют активный рост. В тропических странах период покоя вызывается засушливыми условиями. Последние могут вызвать приостановку роста и в наших условиях летом. Тогда наблюдается засыхание листьев, побегов, летний листопад. Кроме временного (вынужденного) покоя из-за отсутствия благоприятных внешних условий различают длительный (глубокий) покой, вызываемый внутренними факторами. Так, например, только что убранный осенью картофель не прорастает при наличии всех внешних 43 условий. Во второй же половине зимы начинается бурное прорастание глазков картофеля. У веток разных деревьев, срезанных зимой и внесенных в комнатное помещение, почки будут раскрываться разновременно — период длительного покоя у них различный. У липы, дуба, бука, ясеня этот период длительный, у ивы его совсем нет. Зацветание ветвей вишни в зимний период зависит от времени их срезания. Работы П. А. Генкеля и его сотрудников показали, что клетки покоящихся органов дают выпуклый плазмолиз, а клетки растущих органов — вогнутый. Это связано с различным состоянием у них цитоплазмы (содержанием липидов, способностью поглощать воду и др.). 6.6. Движения растений Ростовые движения. Несмотря на прикрепление большинства растений к определенному субстрату, органы их или части органов находятся в связи с ростом в движении. Высшие растения изменяют положение своих органов в связи с различными раздражениями. Эти изменения ориентировки органов в пространстве называются тропизмами. Геотропизм. Свойство органа расти по направлению к центру земли называется положительным геотропизмом. Он свойствен главному корню. Свойство органа расти в направлении, противоположном действию силы тяжести, называется отрицательным геотропизмом. Им обладает главный стебель (ось первого порядка). Фототропизм. Изгиб надземных частей высших растений под влиянием света называется фототропизмом. Обычно стебли обладают положительным фототропизмом. Листья могут располагаться по отношению к свету по-разному: одни перпендикулярно, другие под тем или иным углом в зависимости от интенсивности освещения и индивидуальности самого растения. Корни большинства растений отрицательно фототропичны. Изгиб органа в сторону света объясняется тем, что свет задерживает растяжение клеток, и поэтому затемненная сторона растет быстрее, вызывая положительный фототропизм. Хемотропизм. Ростовые изгибы под влиянием химических раздражителей вызываются односторонним воздействием ионов некоторых солей. Под влиянием анионов корень изгибается положительно; под влиянием катионов тех же солей — отрицательно. 44 Благодаря хемотропизму осуществляется рост пыльцевой трубки в пестике, рост корней в сторону удобренных участков почвы. Термотропизм и аэротропизм. Изменение роста корней в сторону благоприятного теплового режима называется положительным термотропизмом, а в сторону благоприятного воздушного режима — положительным аэротропизмом. Гидротропизм. Корни обычно растут в почве в сторону влажной среды. Они положительно гидротропичны. Часто на растение действует не один, а несколько факторов сразу. Тогда реакция организма будет на тот фактор, влияние которого сильнее. Настические, тургорные и нутационные движения растений Настические ростовые движения (настии) вызываются факторами, действующими не односторонне, а равномерно на все растение. Они свойственны органам, имеющим двустороннее (дорзовентральное) строение, лепесткам, листьям и т. п. Различают настии, вызываемые сменой дня и ночи. Цветки душистого табака, дурмана закрываются днем, а раскрываются ночью. Наоборот, цветки льна, вьюнка открываются утром и закрываются на ночь. Такие движения называются никтинастическими. Другой тип настии — термонастии. Они наблюдаются при смене температуры. Если внести закрытые цветки тюльпанов, шафранов из холодного помещения в теплое, то они через некоторое время раскроются. Наконец, некоторые цветки, например, тюльпанов, раскрываются на свету и закрываются в пасмурную погоду или к вечеру. Аналогичное явление можно наблюдать на корзинках одуванчика. Такие настии называются фотонастиями. Сейсмонастические движения вызываются прикосновением, встряхиванием, толчками. Классическим объектом для наблюдения подобных движений является стыдливая мимоза. Если прикоснуться к листу мимозы, то все ее листочки сложатся. При сотрясении растения все ее листья целиком опускаются. Прикосновение к основанию тычиночных нитей барбариса вызывает их изгиб и удар пыльника о рыльце. Нутационные движения (нутации) отличаются ритмичностью. Они возникают в результате колебаний тургора, вызываемых изменениями в вязкости и проницаемости цитоплазмы. Таким образом, было выяснено, что рост стебля происходит толчками. Верхушка его растет не вертикально, а по спирали. 45 Вопросы для самоконтроля 1. Что такое рост и развитие растений? 2. Какие фазы при своем росте проходит клетка? 3. Какими свойствами обладают ауксины? 4. Каково основное действие гиббереллинов? 5.Охарактеризуйте действие ингибиторов роста. 6. Опишите действие внешних условий на рост растений. 7. Приведите примеры ростовых движений. Рекомендуемая литература: 3, 4, 6, 11, 12, 13. РАЗДЕЛ 2 ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ Лабораторная работа № 1 Сравнение проницаемости мембран живых и мертвых клеток Задание: выявить различия в проницаемости мембран живых и мертвых клеток и сделать вывод о причинах этих различий. Материалы и оборудование: пробирки, штатив для пробирок, скальпель, спиртовка или газовая горелка, 30%-й раствор уксусной кислоты, корнеплод столовой свеклы. Порядок работы 1. Корнеплод свеклы после удаления покровных тканей разрезают на кубики (сторона кубика 5 мм) и тщательно промывают водой, чтобы удалить пигмент, вышедший из поврежденных клеток. 2. По одному кусочку свеклу опускают в три пробирки. В первую и вторую наливают по 5 мл воды, в третью — 5 мл 30%-го раствора уксусной кислоты. Первую пробирку оставляют для контроля. Содержимое второй кипятят 2—3 минуты. 3. В вакуолях клеток корнеплода столовой свеклы содержится бетацианин — пигмент, придающий ткани корнеплода окраску. Тонопласты живых клеток непроницаемы для молекул этого пигмента. После гибели клеток тонопласт теряет свойство полупроницаемости, становится проницаемым, молекулы пигмента выходят из клеток и окрашивают воду. Во второй и третьей пробирках, где клетки были убиты кипячением или кислотой, вода окрашивается, а в первой пробирке остается неокрашенной. 46 4. Записать результаты наблюдений. Лабораторная работа № 2 Тургор, плазмолиз и деплазмолиз Задание: изучить под микроскопом явления тургора, плазмолиза и деплазмолиза в клетках эпидермы синего лука. Материалы и оборудование: микроскопы, препаровальные принадлежности, спиртовки, синий лук, корни столовой свеклы, 30%-й раствор сахара, 5—8%-й раствор калийной селитры. Порядок работы 1. Сделать плоскостной срез эпидермы синего лука, положить его на предметное стекло в каплю воды. 2. Закрыть каплю покровным стеклом и наблюдать за клетками в состоянии тургора в микроскоп. 3. Взять каплю 30%-го раствора сахара и поместить ее рядом с покровным стеклом. 4. Касаясь фильтровальной бумагой противоположного конца покровного стекла, произвести замену воды в препарате раствором сахара. 5. Снова провести наблюдение под микроскопом. Если плазмолиз еще не заметен, повторить замену воды раствором сахара. Под микроскопом будет хорошо заметен плазмолиз в живых клетках эпидермы. 6. Провести опыт в обратном порядке, т. е. снова вернуть воду и пронаблюдать явление деплазмолиза. 7. Зарисовать клетки в состоянии тургора, плазмолиза и деплазмолиза. 8. Для доказательства того, что плазмолиз и деплазмолиз происходят только в живых клетках, параллельно провести такой опыт. Один из срезов эпидермы лука, помещенный в каплю воды, подержать над пламенем спиртовки, чтобы убить клетки. Затем нанести раствор сахара и посмотреть, происходит ли плазмолиз. Описанный опыт позволяет познакомиться не только с процессами тургора, плазмолиза и деплазмолиза, но и с процессом поступления веществ в клетку (в данном случае молекул сахара из раствора). При изучении явлений плазмолиза и деплазмолиза в клетках корня столовой свеклы порядок работы такой же, но вместо раствора сахара лучше использовать 5%-й раствор калийной селитры. 47 Лабораторная работа № 3 Определение транспирации весовым методом Задание: определить количество воды, испаряемое растением за определенный промежуток времени, весовым методом. Материалы и оборудование: весы, разновесы, ножницы, посуда, подставка, живые растения. Порядок работы 1. U-образную трубку укрепить на подставке и налить в нее воду. Срезать c растения один лист (или небольшую ветвь с двумя листьями) и при помощи ватной пробки укрепить его в одном колене (ватная пробка не должна касаться воды, иначе вода будет испаряться и через нее). Другое колено закрыть каучуковой или пластмассовой пробкой (если нет такой трубки, можно взять простую пробирку и поверхность воды залить растительным маслом, чтобы не было испарения). 2. Взвесить прибор и одновременно маленький кристаллизатор, наполненный водой. Приборчик и кристаллизатор поместить на окно. 3. Через 1—2 ч произвести повторное взвешивание. Масса уменьшается в обоих случаях, так как происходит испарение воды. Лабораторная работа № 4 Наблюдение за движением устьиц Задание: наблюдать за устьичными движениями, объяснить причину устьичных движений, зарисовать устьица в воде и в растворах 5-ти и 20%-го глицерина. Цель работы: наблюдать за устьичными движениями в воде и в растворе глицерина. Материалы и оборудование: растворы глицерина (5-ти и 20%-й), 1М раствор сахарозы, микроскопы, предметные и покровные стекла, препаровальные иглы, фильтровальная бумага, бюксы, листья любых растений. Порядок работы 1. Приготовить несколько срезов нижней эпидермы листа и поместить их на 2 ч в 5%-й раствор глицерина. Глицерин проникает в вакуоли замыкающих клеток, понижает их водный потенциал и, следовательно, повышает их способность насасывать воду. Срезы помещают на предметное стекло в том же растворе, отмечают состояние клеток и зарисовывают их. 48 2. Заменить глицерин водой, оттягивая его из-под стекла фильтровальной бумагой. При этом наблюдается открывание устьичных щелей. Препарат зарисовать. 3. Воду заменить сильным осмотиком — 20%-ным раствором глицерина или 1М раствором сахарозы. Наблюдают закрывание устьиц. 4. Сделать выводы. Лабораторная работа № 5 Продукты фотосинтеза Задание: изучить процесс образования первичного крахмала в листьях. Материалы и оборудование: спиртовки, водяные бани, ножницы, электроплитки, лампы накаливания в 200—300 Вт, посуда, живые растения (тыква, фасоль, пеларгония, примула и др.), этиловый спирт, раствор йода в йодистом калии. Порядок работы 1. При помощи крахмальной пробы доказать, что в процессе фотосинтеза образуется крахмал. Хорошо политое растение надо поставить на 2—3 дня в темное место. За это время произойдет отток ассимилятов из листьев. Новый крахмал образоваться в темноте не может. Далее нужно срезать лист, в котором произошло обескрахмаливание, и поставить его в стакан или пробирку с водой на яркий свет. Чтобы получить контраст от процесса фотосинтеза, часть листа надо затемнить. Для этого можно использовать фотонегатив или два одинаковых светонепроницаемых экрана, прикрепив их сверху и снизу. Рисунки на экране (вырезки) могут быть самыми различными. Лампу накаливания в 200—300 Вт помещают на расстоянии 0,5 м от листа. Через час или два лист надо обработать, как указывалось выше. Удобнее это делать на плоской тарелке. Одновременно обрабатывают лист, который оставался затемненным все время. Части, подвергавшиеся освещению, окрашиваются в синий цвет, а остальные имеют желтую окраску. Летом можно видоизменить опыт — закрыть на растении несколько листьев, надев на них пакетики из черной светонепроницаемой бумаги с соответствующими вырезами; через двое — трое суток, в конце солнечного дня, срезать листья, прокипятить их сначала в воде, а потом обесцветить спиртом и обработать раствором йода в йодистом калии. 49 Затемненные места листьев будут светлыми, а освещенные станут черными. У некоторых растений (например, у лука) первичным продуктом фотосинтеза является не крахмал, а сахар, поэтому к ним крахмальная проба неприменима. 2. Записать результаты наблюдений. Лабораторная работа № 6 Получение из листьев спиртовой вытяжки пигментов и их разделение Задание: получить спиртовую вытяжку пигментов, произвести их разделение и ознакомиться с основными свойствами пигментов. Материалы и оборудование: ножницы, ступки с пестиками, штативы с пробирками, посуда, спиртовки, водяные бани, свежие или сухие листья (крапивы, аспидистры, плюща или других растений), этиловый спирт, бензин, 20%-й раствор NaОН (или КОН), сухой мел, песок. Порядок работы 1. Поместить в чистую ступку измельченные ножницами сухие листья, добавить немного мела для нейтрализации кислот клеточного сока. Тщательно растереть массу пестиком, приливая этиловый спирт (100 см3), затем профильтровать раствор. Полученная вытяжка хлорофилла обладает флюоресценцией: в проходящем свете она зеленая, в отраженном свете — вишнево-красная. 2. Разделить пигменты методом Крауса. Для этого надо налить в пробирку 2—3 см3 вытяжки и добавить полуторный объем бензина и 2—3 капли воды; затем нужно встряхнуть пробирку и подождать, когда станут хорошо заметны два слоя - вверху бензиновый, внизу спиртовой. Если разделения не произойдет, следует добавить еще бензина и снова встряхнуть пробирку. В случае появления мути надо добавить немного спирта. Так как бензин в спирте не растворяется, он оказывается наверху. Зеленый цвет верхнего слоя говорит о том, что в бензин перешел хлорофилл. Кроме него в бензине растворяется и каротин. Внизу, в спирте, остается ксантофилл. Нижний слой имеет желтый цвет. Далее надо разделить хлорофилл и каротин. Для этого в пробирку с вытяжкой (2—3 см3) нужно добавить 3—5 капель 20%-го раствора 50 NaОН, встряхнуть пробирку, прилить равный объем бензина, снова встряхнуть. После отстаивания раствора образуются два слоя. В результате омыления хлорофилла происходит отщепление спиртов и образование натриевой соли хлорофиллина, которая, в отличие от хлорофилла, не растворяется в бензине. Для лучшего омыления пробирку с добавлением NaОН можно поставить в водяную баню с кипящей водой и, как только раствор закипит, вынуть. После этого приливают бензин. В бензиновый слой (верхний) перейдут каротин и ксантофилл (цвет будет желтый), а в спиртовой — натриевая соль хлорофилловой кислоты. Лабораторная работа № 7 Обнаружение дыхания растений Задание: доказать, что при дыхании растений выделяется СО2, зарисовать прибор, который помогает обнаруживать дыхание по выделению СО2, сделать подписи к рисунку. Материалы и оборудование: 2 стеклянные банки вместимостью 300—400 мл, 2 резиновые пробирки с отверстиями для воронки и трубки, 2 воронки, 2 изогнутые в виде буквы «П» стеклянные трубки длиной 18—20 см и диаметром 4—5 мм, 2 пробирки, химический стакан, раствор Ва(ОН)2, проросшие семена пшеницы, подсолнечника, кукурузы, гороха и др. Порядок работы 1. В стеклянную банку насыпают 50— 60 г проросших семян, плотно закрывают ее пробкой, в которую вставлены воронка и изогнутая стеклянная трубка и оставляют на 1— 1,5 ч. За это время в результате дыхания семян в банке накопится диоксид углерода. Он тяжелее воздуха, поэтому сосредоточен в нижней части банки и не попадает в атмосферу через воронку или трубку. 2. Одновременно берут контрольную банку без семян, также закрывают ее резиновой пробкой с воронкой и стеклянной трубкой и ставят рядом с первой банкой. 3. Свободные концы стеклянных трубок опускают в две пробирки с баритовой водой. В обе банки через воронки начинают понемногу наливать воду. Вода вытесняет из банок воздух, обогащенный СО2, который поступает в пробирки с раствором Ва(ОН) 2. В результате баритовая вода мутнеет. 4. Сравнивают степень помутнения Ва(ОН)2 в обеих пробирках. 51 Лабораторная работа № 8 Определение интенсивности дыхания в чашках Конвея Задание: проделать опыт и вычислить интенсивность дыхания исследуемых объектов в зависимости от вариантов опыта. Материалы и оборудование: чашки Конвея, вазелин, бюретки, штативы, фильтровальная бумага, ножницы, весы, разновесы, реактивы: 0,1н Ва(ОН)2; 0,1н HCl, фенолфталеин, любые проростки и взрослые растения или их органы. Порядок работы 1. Чашки Конвея перед опытом калибруют, они должны быть одинакового объема для контрольного и опытного вариантов. Каждый вариант опыта ставят в трех повторностях. 2. Во внешний круг чашки Конвея раскладывают навеску растительного материала массой 0,5—1,0 г. Во внутренний цилиндр наливают 1 или 2 мл 0,1н Ва(ОН)2.. Чашку герметично закрывают притертой крышкой (так, чтобы на крышке проявился прозрачный контур шлифа чашки) и ставят на 20 — 40 мин в темноту (для исключения фотосинтеза в зеленых тканях растений). За время экспозиции накопившийся в объеме чашки Конвея углекислый газ реагирует с гидроксидом бария: СО2 + Ва(ОН)2 = ВаСО3 + Н2О. Избыток Ва(ОН)2 оттитровывают 0,1н НС1 по фенолфталеину до исчезновения розовой окраски. 3. Одновременно с опытной ставят контрольную чашку Конвея (без навески). В нее наливают такой же объем раствора 0,1н Ва(ОН)2, закрывают притертой крышкой и оставляют рядом с опытной чашкой. Гидроксид бария в этой чашке реагирует с углекислым газом, изначально находившимся в ее объеме в составе воздуха. Избыток барита оттитровывают. 4. По разнице объемов раствора соляной кислоты, пошедшей на оттитровывание избытка Ва(ОН)2 в контрольной и опытной чашках, вычисляют интенсивность дыхания (И. д.): И .д. 2,2(VHClк VHClоп ) Pt 52 , мг СО2 /(г∙ч), где VНС1к — объем 0,1н НС1, пошедший на титрование избытка Ва(ОН)2в контрольной чашке; VНС1оп — объем 0,1н НС1, пошедший на титрование избытка Ва(ОН)2в опытной чашке; Р — масса навески, г; t — время, ч; 2,2 — коэффициент пересчета НС1 в СО2 (1 мл 0,1н НС1 или Ва(ОН)2 эквивалентен 2,2 мг СО2). Лабораторная работа № 9 Значение различных элементов для растений Задание: изучить значение различных минеральных элементов для роста гриба аспергилла. Материалы и оборудование: весы, термостат, ватные пробки, фильтры, пять колб по 100 см3, пробирки, пипетка, два стакана, воронка, минеральные соли, сахароза, органическая кислота (лимонная), культура гриба аспергилла, выращенная на кусочках картофеля или хлеба в течение 3—4 дней. Порядок работы 1. Вырастить гриб на питательных смесях. Установлено, что аспергилл предъявляет к условиям минерального питания примерно такие же требования, как высшие растения. Из минеральных элементов гриб не нуждается только в кальции. Питательные смеси готовят в колбах на 100 см 3 и составляют по определенной схеме (табл. 1). Нумерация колб соответствует нумерации вариантов опыта. Внизу записывают результаты опыта. Вещества Сахароза NH4NO3 KH2PO3 MgSO4 KCl NaCl FeSO4 Лимонная кислота Таблица 1 Схема составления питательных смесей Количество вещества (в мл) в колбах №2 №3— №4— № 5 — без Концентр № 1 — полная — без без Р без К минеральных ация смесь N веществ % 20 10 10 10 10 40 1,2 10 10 10 0,4 10 10 0,4 10 10 10 10 0,2 10 0,8 10 10 0,1 2 2 2 капли 2 5 капли капли 10 капли 10 10 10 10 53 Результаты Масса мицелия, г Выводы Лимонную кислоту добавляют для создания кислой среды, благоприятной для аспергилла, но подавляющей развитие других микроорганизмов. 2. В пробирку или колбочку налить стерильную воду и поместить в нее мицелий гриба, взятый стерильной петлей, размешать содержимое вращением между пальцами или ладонями. Полученную суспензию внести стерильной пипеткой во все колбы. Закрыть колбы ватными пробками и поставить в термостат при температуре 30—35 °С. Наблюдение провести через неделю. Сущность опыта заключается в том, что, определяя массу мицелия гриба, выращенного на различных питательных смесях, можно узнать его потребность в отдельных элементах. 3. Произвести взвешивание, для чего взять два чистых стакана, одну воронку и несколько одинаковых бумажных фильтров. Взвесить один стакан (№ 1) с воронкой и фильтром и записать массу. Затем поставить воронку в другой стакан (№ 2), перенести на фильтр мицелий гриба из первой колбы, промыть водой и после стенания воды перенести воронку обратно в стакан № 1. Снова произвести взвешивание. Ясно, что результат будет больше, так как добавился мицелий гриба. Вычесть из второго результата первый и узнать массу мицелия гриба. Так поступить со всеми колбами. 4. Записать результаты наблюдения. Таким образом, будет установлено, как влияет отсутствие N, Р, К и всех элементов минерального питания на развитие мицелия гриба. Лабораторная работа № 10 Зона роста корня Задание: ознакомиться с расположением зоны роста в молодых корешках с помощью нанесения меток тушью. Материалы и оборудование: посуда, тонкие кисточки или заостренные спички, проростки тыквы (фасоли или подсолнечника), тушь, миллиметровая бумага, вата, тонкие иголки, фильтровальная бумага. Порядок работы 54 1. Вырастить во влажных опилках несколько проростков тыквы, фасоли или подсолнечника. К началу опыта у них должны образоваться прямые корешки длиной около 2 см. 2. Прежде чем вынимать проростки, подготовить влажную камеру для наблюдения за их дальнейшим ростом: взять банку, закрыть внутренние стенки ее фильтровальной бумагой, на дно налить немного воды; пробку разрезать пополам (продольно), чтобы к одной половинке приколоть проростки. 3. Освободить проростки из опилок и обсушить корешки фильтровальной бумагой. Выбрать три проростка с прямыми корешками, положить на миллиметровую бумагу и тушью нанести на корешки метки через каждые 2 мм (первую метку сделать очень близко к кончику, таких меток получится около 10). 4. Взять узкую полоску фильтровальной бумаги и приколоть ее вместе с проростками к внутренней стороне половинки пробки. Конец фильтровальной бумаги должен при опускании в банку касаться воды. Вставить пробку с проростками в банку и закрыть оставшееся отверстие ватой. Температура окружающей среды должна быть +20—+25 °С. 5. Через сутки произвести измерения. Для определения приростов вычитают из данных измерения первоначальную длину каждого участка — 2 мм. 6. Полученные результаты записать в виде таблицы. Форма таблицы приведена ниже (табл. 2). Номер черешков Участки корешка 1 2 3 Среднее арифметическое 1 2 Таблица 2 Прирост длины участков, мм 3 4 5 6 7 8 9 10 Лабораторная работа № 11 Влияние температуры и света на скорость роста растений Задание: изучить влияние внешних условий (температуры, света) на скорость роста растений и формирование листьев. Материалы и оборудование: вазоны, песок, посуда, темная камера, холодильная установка, семена тыквы (или фасоли). 55 Порядок работы 1. Взять семена тыквы (или фасоли), намочить их и, когда они набухнут и начнут прорастать, высадить в небольшие вазоны с песком по три семени (песок, а не почву берут для того, чтобы исключить различные условия минерального питания). 2. Примерно через 5—6 дней, когда растения дадут всходы, измерить высоту их стеблей, затем поместить вазоны в различные условия. 3. Через 7—10 дней сделать окончательные измерения и выводы. 4. Результаты наблюдений записать в таблицу по следующей форме (табл. 3): Таблица 3 Варианты 1 2 3 Результаты наблюдений прирост характер окраска стебля развития листьев Условия выращивания вывод ы В темной камере при температуре 20—25 С В темной камере при 1—5 С На свету при 1—5 С Лабораторная работа № 12 Взаимовлияние культурных и сорных растений Задание: изучить вопросы взаимовлияния культурных и сорных растений. Материалы и оборудование: пластиковые сосуды, песок, компостированные сорняки (осот, пырей, ромашка непахучая и др.), семена пшеницы, ячменя, подсолнечника и др. Порядок работы 1. Зеленые надземные части сорняков закомпостировать в пластиковых сосудах: 150 гр. сорняков и 3 кг песка. 2. Посеять семена культурных растений: пшеницы, ячменя и др. 3. Выращивать 20 дней. 4. Определить длину надземной и подземной частей растений. Результаты опыта занести в таблицу по следующей форме (табл. 4): Растение Длина проростков 56 Таблица 4 Длина корешков (средняя) мм % (средняя) мм 5. Сделать выводы, построить графики зависимости. 57 % Список основной литературы 1. Викторов, Д. П. Малый практикум по физиологии растений : учебное пособие Текст / Д. П.Викторов. — М. : Высш. школа, 1983. — 135 с. 2. Генкель, П. А. Физиология растений: учебник для студентов Текст / П. А. Генкель. — М. : Просвещение, 1975. — 335 с. 3. Гродзинский, А. М. Краткий справочник по физиологии растений. Текст А. М. Гродзинский, Д. М. Гродзинский. — Киев : Наукова думка, 1973. — 591 с. 4. Измаилов, С. Ф. Азотный обмен в растениях Текст / С. Ф.Измаилов. — М., 1986. — 320 с. 5. Полевой, В. В. Физиология растений: учебник Текст / В.В. Полевой. — М., 1989. — 464 с. 6. Полевой, В. В. Фитогормоны Текст / В. В. Полевой. — Л., 1982. — 249 с. 7. Практикум по физиологии растений для студентов биологического факультета Текст / сост. С. А. Степанов. — Саратов : изд-во Сарат. ун-та, 2002. — 64 с. 8. Практикум по физиологии растений: учебное пособие Текст / под. ред. В. Б. Иванова. — М.: Академия, 2001. —144 с. 9. Практикум по фотосинтезу и дыханию растений : учебное пособие Текст / под ред. В. В. Полевого и Т. В. Чирковой, — СПб, 1997. — 245 с. 10. Рубин, Б. А. Курс физиологии растений: учебник Текст / Б. А. Рубин. — М. : Высш. школа, 1971. — 672 с. 11. Сабинин, Д. А. Физиология развития растений. Текст / Д. А. Сабинин. — М., 1963. —320 с. 12. Саламатова, Т. С. Физиология растительной клетки: учебное пособие Текст / Т. С. Саламатова. — Л., 1983. — 232 с. 13. Школьник, М. Я. Микроэлементы в жизни растений Текст / М. Я. Школьник. — Л., 1974. — 324 с. 14. Якушкина, Н. И. Физиология растений : учебник Текст / Н. И. Якушкина. — М., 1993. 15. Якушкина, Н. И. Физиология растений: учеб. для студентов Текст / Н. И. Якушкина, Е. Ю. Бахтенко. — М., 2005. — 463 с. Список дополнительной литературы 1. Беликов, П. С. Физиология растений. Текст / П. С. Беликов, Г. А. Дмитриева. — М. : Изд-во Российского ун-та дружбы народов, 1992. — 376 с. 2. Гусев, Н. А. Состояние воды в растении. Текст / Н. А. Гусев. — М., 1974. —130 с. 58 3. Дибберт, Э. Физиология растений. Текст / Э. Дибберт. — М. : Мир, 1976. — 423 с. 4. Максимов, Н. А. Краткий курс физиологии растений : учебник Текст / Н. А. Максимов. — М. : Сельхозгиз, 1958. — 354 с. 5. Слейчер, Р. Водный режим растений Текст / Р.Слейчер. — М., 1970, — 265 с. 59 ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Полевая практика по физиологии растений Полевая практика по физиологии растений служит для получения практических навыков определения физиологического состава растений в природной обстановке. В ходе полевой практики предполагается решить следующие задачи: закрепить и углубить теоретические знания по физиологии растений; освоить методы постановки полевых и вегетационных опытов; изучить сезонный ритм растений и оценить их состояние с использованием полевого оборудования и экспериментальных методов анализа; знакомиться с последними достижениями в области повышения урожайности и выращивания экологически чистых продуктов; изучить влияние различных экологических факторов в естественных условиях на физиологические процессы растений. Занятие 1. Методы исследования Задание 1. Законспектировать методы исследования (Практикум по физиологии растений / под ред. В. Б. Иванова. М.: Академия, 2001. С. 4—8). Задание 2. Во всех последующих заданиях провести статистическую обработку результатов (Практикум по физиологии растении / под ред. В. Б. Иванова. М.: Академия, 2001. С. 121—125). Занятие 2. Рост и развитие растений Задание 1. Изучить высоту растения (8—10 видов), длину и ширину листьев травянистых сорных растений на обочинах дорог, на участках с бытовым мусором; на сухом и увлажненном местах. Проследить степень ветвления, наличие репродуктивных органов (цветов и плодов), подсчитать их количество. Заполнить таблицу 1. Сделать выводы. Таблица 1 Вид Высот Листья Степень Кол-во растения а цветов длина ширин ветвления или а плодов Задание 2. Показатель развития — образование репродуктивных органов (цветов и плодов). Изучить плодоношение разных видов растений (10—12 видов) в различных экологических условиях (на свету и в тени, на уплотненной почве и рыхлой почве). Ответить на вопрос: в каких условиях (оптимальных или 60 экстремальных) более интенсивное плодоношение? Изобразить графически результаты. Занятие 3. Водный режим растений Задание 1. Передвижение по стеблю воды и растворенных в ней веществ. Побеги дерева или кустарника (8—10 видов) поместить в сосуд с водой, подкрашенной красной краской. Через 2—4 часа сделать на разной высоте несколько срезов. Древесина станет красной. Установить, по стеблям каких растений вода движется быстрее. Сделать выводы. Задание 2. Проследить явление транспирации на следующем опыте: поместить побег растения в плотно закрытую колбу. Через некоторое время на ее стенке появятся капли воды. Пронаблюдать это явление на 6—8 видах растений. Сделать выводы. Задание 3. Стойкость растения против завядания. Растения (8—10 видов) срезать, оставить на 1—2 суток для завядания. Затем поставить в воду. Пронаблюдать, какие виды восстановятся. В опыте использовать водные, околоводные растения, мхи, травянистые растений, побеги деревьев и кустарников. Сделать выводы. Занятие 4. Фотосинтез Задание 1. Изучение анатомических особенностей светолюбивых и теневыносливых растений. Собрать листья с одного растения, но разной световой освещенности; листья тенелюбивых, теневыносливых и светолюбивых растений. При помощи микроскопа сравнить соотношение столбчатой и губчатой тканей. Сделать выводы. Задание 2. Обратить внимание на раскраску листьев перед листопадом. Это связано с разрушением хлорофилла и проявлением других пигментов (ксантофилла, каротина, антоцина и др). Прокипятить красный лист в воде, он станет зеленым или желтым. Красный пигмент клетки уйдет в воду. Проявится хлорофилл, если он не весь разрушен, или желтый пигмент. Пронаблюдать на 10—12 видах. Сделать выводы. Занятие 5. Покой растений Задание 1. Биологическое значение листопада (ветвепада) — уменьшить испарение в зимнее время. Обратить внимание на механизм листопада (образование разделительного слоя на границе черешка и стебля). Крупные листья, как правило, опадают раньше мелких. Пронаблюдать на 10—12 видах. Сделать выводы. Задание 2. Изучить особенности подготовки растений к зимнему покою (10—12 растений) (по степени одревеснения побегов, развития почек восстановления). Заполнить таблицу. Дать письменный анализ полученных результатов. Особенности строения Вид растения 61 стебля почек Задание 3. Изучение гибели растений от холода. Поместить в холодильник побеги 10—15 видов растений на 10—12 часов. Провести их морфологический анализ в течение следующего дня. Приложение 2 Контрольная работа по физиологии растений Вариант 1 1. Световая и темновая фазы фотосинтеза. 2. Влияние внешних условий на рост растений. 3. При погружении молодого листа элодея в гипертонический раствор сахарозы у клеток, закончивших рост, через 20 мин наступил выпуклый плазмолиз, тогда как в растущих клетках около 1 часа сохранятся вогнутый плазмолиз. Как объяснить полученные результаты? 4. Почему кольцевание ствола приводит к гибели дерева? Вариант 2 1. Роль макроэлементов в минеральном питании растений. 2. Особенности роста клеток. 3. Побег, взвешенный сразу после срезания, имеет массу 10,26 г, а через 3 мин — 10,17 г. Площадь листьев 240 см2. Определить интенсивность транспирации. 4. Каковы физиологические причины осеннего листопада у деревьев умеренной зоны? Вариант 3 1. Роль микроэлементов в минеральном питании растений. 2. Типы роста органов растения. 3. У некоторых комнатных растений незадолго перед дождем появляются капли воды на кончиках листьев. Как объяснить это явление? 4. Как определить, находятся ли почки в состоянии глубокого покоя или покой их вынужденный? Вариант 4 1. Экология фотосинтеза. 2. Культура изолированных тканей. 3. Как объяснить набухание в воде маслянистых семян, несмотря на то, что жиры обладают гидрофобными свойствами? 4. Клетка погружена в раствор. Осмотическое давление клеточного сока 1 МПа, наружного 0,7 МПа. Куда пойдет вода? (Разберите три возможных случая.) Вариант 5 1. Анаэробная фаза дыхания. 2. Особенности прорастания семян. 62 3. Можно ли отнять воду от клетки после достижения ею состояния полного завядания, т. е. полной потери тургора? Объясните. 4. Как доказать при помощи метода крахмальной пробы необходимость света для фотосинтеза? Вариант 6 1. Аэробная фаза дыхания. 2. Физиологические основы покоя растений. 3. Чему равны сосущая сила клетки и тургорное давление: а) при полном насыщении клетки водой, б) при плазмолизе? 4. Как объяснить разную окраску спиртовой вытяжки из зеленого листа при рассмотрении ее в проходящем и отраженном свете? Вариант 7 1. Влияние внешних и внутренних факторов на процесс дыхания. 2. Этапы развития растений. 3. В каких частях растения более высокое содержание зольных элементов: в древесине или в листьях, в старых или молодых листьях? Как объяснить эти различия? 4. При помощи какой реакции можно доказать, что хлорофилл является сложным эфиром? Вариант 8 1. Пути регуляции дыхательного обмена. 2. Влияние внешних условий на процесс развития. 3. Каков биологический смысл красной окраски глубоководных морских водорослей? 4. У каких растений больше осмотическое давление клеточного сока: у растущих на солончаках или у растений незасоленных почв; у выросших в тенистом влажном месте или у растущих в степи? Как объяснить эти различия? Приложение 3 Вопросы для экзамена по физиологии растений 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Понятие о физиологии растений. Краткая история развития физиологии растений. Структурные элементы клетки и их значение. Проницаемость клеток для разных соединений. Пассивный транспорт. Активный транспорт. Обмен веществ и энергии в клетке. Водный обмен растительного организма. Диффузия, осмос, осмотическое давление и его значение жизни растения. Корневая система как орган поглощения воды. 63 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. Основные двигатели водного тока. Передвижение воды по растению. Влияние внешних условий на поступление воды в растение. Транспирация, ее значение. Общее понятие о фотосинтезе. Пигменты пластид Световая и темновая фазы фотосинтеза. Экология фотосинтеза. Превращение веществ в растении и дыхание. Факторы, влияющие на процесс дыхания. Аэробное и анаэробное дыхание. Брожение. Элементарный состав растения. Состав золы растений. Физиологическое значение макроэлементов. Физиологическое значение микроэлементов. Роль корней в жизнедеятельности растений. Питание растений азотом. Особенности усвоения молекулярного азота. Передвижение элементов минерального питания. Круговорот минеральных веществ в растении. Передвижение органических веществ по растению. Рост растений. Типы роста. Рост растений и внешние условия. Этапы развития растений. Регуляция процесса развития. Влияние внешних условий на процесс развития. Ауксины. Гиббереллины. Цитокинины. Ингибиторы роста Движения растений. Тропизмы и настии. Покой растений. Покой семян. Покой почек. Регуляция процессов покоя. Понятие стресса. Устойчивость растений к низким температурам. Солеустойчивость. Устойчивость к недостатку кислорода. 64 51. Газоустойчивость. 52. Устойчивость растений к инфекционным заболеваниям. 65 Учебно-методическое издание Марина Анатольевна Занина Физиология растений Учебно-методическое пособие для студентов заочного отделения факультета экологии и биологии Редактор Корректор Дизайн обложки М. Б. Иванова Н. Н. Дробышева Н. Н. Дробышева 66 Изд. л. ИД №01591 от 19.04.2000. Подписано в печать 16.09.05. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура "Times". Уч.-изд. л. 2,92. Усл. печ. л. 4,0. Тираж 100 экз. Заказ №. Издательство "Николаев", г. Балашов, Саратовская обл., а/я 55. Отпечатано с оригинал-макета, изготовленного издательской группой Балашовского филиала Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского. 412300, г. Балашов, Саратовская обл., ул. К. Маркса, 29. Печатное агентство "Арья", ИП " Николаев", Лиц. ПЛД № 68-52 412340, г. Балашов, Саратовская обл., ул. К. Маркса, 43. E-mail: arya@balashov.san.ru 67
